節(jié)流孔板非線性空化特征實驗研究①

陳艷宇 尚群立 吳 欣 俞軻鑫

（?浙江工業(yè)大學信息工程學院 杭州310012）

（??杭州電子科技大學機械工程學院 杭州310018）

0 引言

調節(jié)閥作為自動控制調節(jié)系統(tǒng)中的執(zhí)行部件,廣泛應用于核電廠、石油化工等行業(yè)的工藝控制系統(tǒng)中。在穩(wěn)定工況下,處在某個開度的調節(jié)閥對于工藝系統(tǒng)而言等同于一個節(jié)流件,故本文選用不同結構參數(shù)的節(jié)流孔板作為研究非線性空化[1]特性的對象?？栈侵敢簯B(tài)介質通過節(jié)流件時,由于介質的流速在縮流孔處增大,造成節(jié)流件下游壓力接近當前溫度下飽和蒸氣壓力時,部分介質發(fā)生汽化,形成的氣液兩相流[2-3]。隨著空化的加劇逐漸進入阻塞流狀態(tài),即入口壓力不變的情況下,繼續(xù)增大壓差流量也不再增加。然后隨著管道下游靜壓的逐漸恢復,氣泡潰滅對下游管壁產(chǎn)生沖擊、侵蝕的現(xiàn)象被稱為汽蝕。汽蝕現(xiàn)象會導致管道的振動、噪聲,甚至對管道產(chǎn)生嚴重的損壞[4-6]。因此深入研究節(jié)流孔板空化特性對于系統(tǒng)高效安全運行具有重要的意義。

隨著科技的進步,受到汽蝕現(xiàn)象影響的領域愈來愈多,因此研究人員對閥門、文丘里管、孔板等節(jié)流件進行廣泛的研究。文獻[7]設計研究了4 種不同節(jié)流孔徑的文丘里管,在不同入口壓力時的流量變化情況,發(fā)現(xiàn)文丘里管的流量系數(shù)隨入口壓力的提高呈緩慢下降的趨勢,并進行了仿真與實驗的驗證。文獻[8]通過流體動力學仿真方法,揭示了錐角噴射孔板的長徑比對流體的空化特性有重要影響,其仿真結果表明相同壓降下增大孔徑會加劇空化程度。文獻[9]采用具有高透明度材料制成的節(jié)流閥體研究空化強度對流通能力的影響。文獻[10]在研究彎管節(jié)流的空化現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)隨著流體的入口速度增加,彎管內(nèi)的空化段長度增加。

流體仿真技術與流場可視化技術的發(fā)展為空化的研究提供了新的途徑[11]。文獻[12]在其振蕩空化的可視化研究過程中,以有機玻璃制成的閥體為研究對象,采用高速攝像機直觀獲得流體通過時閥芯上的空化情況,結果表明有空化發(fā)生時閥芯振蕩較為明顯。文獻[13]在其研究中拍攝到隨空化數(shù)的降低,文氏管內(nèi)流場從空化初生過渡至云狀空化階段的過程。由于空化對于機械性能有嚴重影響,文獻[14]在研究壁面粗糙度對噴油器內(nèi)空化發(fā)展的影響時,利用Fluent 軟件求解輸運方程,計算出不同壁面粗糙度下的流量系數(shù)。文獻[15]對3 種不同槽口及其典型結構槽的流動特性進行了計算流體動力學（computational fluid dynamics,CFD）模擬和實驗研究。并通過對壓降與流量的二次多項式擬合,得到了流量系數(shù)的穩(wěn)定值。其研究結果表明槽型對閥的流量特性有顯著影響,為液壓閥的設計提供了有效的指導。

上述文獻充分研究了空化現(xiàn)象對介質流速、流量及機械性能等的影響,利用可視化技術確認了空化程度變化。而本文主要以不同結構參數(shù)的節(jié)流孔板為對象,通過臺架實驗、圖像拍攝以及CFD 仿真技術,給出了孔板阻空化發(fā)生發(fā)展全貌及特征。依據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析壓力恢復系數(shù)用于判定空化的有效性。

1 阻塞流特性理論分析

熱工水力管路系統(tǒng)中,在固定節(jié)流件入口施加壓力時,流量會隨著節(jié)流孔兩端的壓差增大而增大,當壓差增大到臨界壓差附近時管道內(nèi)形成氣液兩相流,這時壓差的增大只會使得管道內(nèi)更多的水發(fā)生汽化,而總流量最終不再變化,進入阻塞流狀態(tài)。

當節(jié)流孔板兩段壓差小于臨界壓差時流量計算公式為

其中Q為通過節(jié)流孔板的流量,P1為節(jié)流孔板入口壓力,P2為節(jié)流孔板出口壓力,ρ1為流體密度,ρ0為標準狀況下水的密度。

當壓差增加到臨界壓差,流體進入阻塞流狀態(tài)時,流量達到極限,流經(jīng)節(jié)流件的流量與壓差之間的關系不再遵循式（1）的規(guī)律,此時的流量計算公式為

由式（2）可以得到壓力恢復系數(shù)FL的計算公式為

式中,Qmax為節(jié)流孔板口徑一定時的最大流量,Kv為流量系數(shù),FF為臨界壓力比,Pv為液體的飽和蒸氣壓。一般取FF=0.96。

根據(jù)式（1）、（2）可以得出存在臨界壓差ΔPC,使得流量特性從線性增長的非阻塞流進入非線性區(qū)域的阻塞流。

圖1 節(jié)流件流量與壓差的關系

2 非線性空化特征實驗研究

2.1 實驗臺架與節(jié)流孔板設計

自主設計的汽蝕實驗臺架如圖2 所示,臺架主要由儲水箱、變頻泵、調壓閥、實驗管段及各種電子傳感器組成。實驗段包含不銹鋼管和石英玻璃管段。其中石英玻璃管段如圖3 所示,用于復現(xiàn)實驗工況時確認空化氣泡的發(fā)生,可通過拆卸法蘭更換實驗段。

圖2 實驗臺架

圖3 透明管段

實驗臺架裝置是一套循環(huán)系統(tǒng),實驗介質為液態(tài)水;主管路首段的變頻泵為系統(tǒng)提供動力;泄壓閥用于調節(jié)孔板上游壓力P1,滿足實驗要求的入口壓力;實驗管路末端安裝調節(jié)閥用以調節(jié)孔板下游壓力P2。實驗段中安裝電磁流量計與壓力變送器用于獲取管路過程量數(shù)據(jù)。

對于管路系統(tǒng)而言,閥門、節(jié)流孔板、變徑管道其本質均為不同流阻的節(jié)流元件。故本文使用節(jié)流孔板,用以模擬某一工況下固定開度的閥門,如圖4所示。

圖4 節(jié)流孔板實物圖

本實驗設計包含4 個孔板,如圖4 孔板從左至右分別記為孔板A、B、C、D,其中孔板A厚度為16 mm、節(jié)流孔直徑為8 mm,孔板B厚度為16 mm、節(jié)流孔直徑為16 mm,孔板C厚度為3 mm、節(jié)流孔直徑為8 mm,孔板D厚度為3 mm、節(jié)流孔直徑為16 mm。

2.2 阻塞流發(fā)展變化全貌

實驗對于4 個節(jié)流孔板依次進行流量特性測試。測試步驟:（1）調節(jié)變頻泵及泄壓閥固定孔板上游壓力P1;（2）改變末端氣動調節(jié)閥開度逐漸降低孔板下游壓力P2;（3）記錄測量在相同壓力P1時不同下游壓力P2及流量Q;（4）孔板上游壓力P1并保持,重復操作記錄數(shù)據(jù)。得到一系列固定壓力P1下的流量曲線,節(jié)流孔板B的流量測量結果如圖5所示。

圖5 節(jié)流孔板B 流量曲線

圖5 中當節(jié)流孔板上游壓力較小時如孔板前壓力為200 kPa 時并未發(fā)生阻塞流現(xiàn)象,這是由于臺架中節(jié)流孔板末端連接開放水罐,其壓力為1 個大氣壓,無法達到使之進入阻塞流的壓差。

2.3 非線性空化特征

針對不同結構參數(shù)的孔板進行流量特性測試,發(fā)現(xiàn)其流量曲線與理論分析有明顯區(qū)別,如圖6 所示。

圖6 薄孔板流量曲線

圖6（b）流量曲線展現(xiàn)了節(jié)流孔板D完整的阻塞流發(fā)展過程的全貌,其特征是流量隨著壓差的增大首先出現(xiàn)斜率變緩,隨后再進入阻塞流狀態(tài)。與極限流量構成的封閉區(qū)更接近一個梯形曲線。圖6（a）節(jié)流孔板C流量曲線由于臺架不能滿足阻塞流出現(xiàn)的壓差,沒有得到完整的斜梯三角形曲線,但現(xiàn)有數(shù)據(jù)已明顯出現(xiàn)非線性過渡段,支持實驗研究結論。

上述實驗研究表明,阻塞流發(fā)展過程中,節(jié)流件的結構參數(shù)對非線性空化特征有明顯影響,如厚孔板B曲線表現(xiàn)為線性段與水平段,孔板C、D在臨界壓差附近出現(xiàn)明顯的非線性過渡段。故完整的節(jié)流孔板非線性空化特征包括空化初生、臨界點、阻塞流點和閃蒸點,非線性表現(xiàn)形式有不同斜率的直線、曲線和臨界點,由節(jié)流孔板的參數(shù)結構界定,如圖7 所示。

圖7 節(jié)流孔板非線性空化特征

2.4 阻塞流發(fā)展過程空化現(xiàn)象可視化研究

為了確認非線性空化特征,實驗采用透明管段替換不銹鋼管段,對已知特征工況點重新建立并拍攝圖像,建立空化狀態(tài)與流量曲線的關聯(lián)關系。為了獲取空化氣泡的確切證據(jù),實驗過程中采用微距成像方式,拍攝氣泡的形貌,為空化現(xiàn)象提供直接的證據(jù)。

通過對照節(jié)流孔板上下游的壓力,建立不同空化狀態(tài)與流量之間的關系如圖8 所示。流量曲線的3 個階段與空化程度具有明確的關系:（1）流量線性段,圖像中沒有氣泡產(chǎn)生無空化現(xiàn)象;（2）在空化初生特征點處,圖像中出現(xiàn)少量的氣泡,隨后很快消失;（3）在臨界點附近,圖像中出現(xiàn)大量氣泡,并充滿整個拍攝段;（4）阻塞流點的氣泡圖像是噴射流狀態(tài),射流已嚴重空化。

圖8 空化與流量特性對應關系

3 基于CFD 非線性空化特征仿真

為了進一步研究阻塞流過程,采用CFD 仿真技術研究阻塞流過程中的流量與空化現(xiàn)象的關系。

建模時,選用多相流模型為混合模型（mixture model）,主相為液體水,次相為水蒸氣。湍流模型為Realizablek-ε模型,近壁區(qū)域采用Standard wall function。空化模型選用Schnerr-Sauer 模型。求解算法選用coupled 算法。邊界條件為孔板上游壓力和孔板下游壓力。

3.1 仿真有效性分析

為驗證仿真技術有效,本實驗利用不銹鋼管上布置的壓力傳感器采集數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 孔板后壓力數(shù)據(jù)表

表中距離單位為m,壓力單位為MPa。對比同一實驗工況下,管道上不同取壓口的實驗壓力與仿真壓力,實驗數(shù)據(jù)對比結果如圖9 所示。

圖9 為實驗與仿真壓力大小分布圖,圖中橫坐標為取壓口到節(jié)流孔板安裝位置的距離X,縱坐標為壓力P。對比結果表明,實驗壓力采樣點的壓力與仿真計算壓力曲線吻合較好,證明了仿真技術的有效性。

圖9 孔板實驗驗與仿真壓力大小分布圖

3.2 阻塞流非線性發(fā)展仿真

圖10 給出了典型工況下節(jié)流孔板C的氣相云圖。圖中可以清晰地看出,隨著孔板后壓力下降,空化逐漸加劇,壓差接近臨界壓差時,節(jié)流孔板內(nèi)率先出現(xiàn)空化。對照實驗流量曲線,在該壓力工況時,曲線已經(jīng)處于非線性空化階段。

圖10 孔板C 空化發(fā)展過程

圖11 給出了節(jié)流孔板上游壓力800 kPa 時,孔板C的流量曲線與仿真對比圖。從圖中可以看出仿真流量與實驗流量較為吻合。在非線性過渡階段,節(jié)流孔板內(nèi)空化與下游空化已經(jīng)逐漸出現(xiàn),并隨著壓差的增大,空化程度逐漸增大。

圖11 孔板C 流量曲線

4 基于壓力恢復系數(shù)評估抗空化能力

實際工況環(huán)境中,出于對系統(tǒng)安全運行的考慮,無法安裝透明管路確認空化是否發(fā)生,故需要借助壓力恢復系數(shù)、振動加速度信號等來判定空化發(fā)生。

調節(jié)閥中的壓力恢復系數(shù)定義了調節(jié)閥在流體通過后動能轉變?yōu)殪o壓能的恢復能力,也表明了流體產(chǎn)生阻塞流的臨界壓差條件。以此判斷管道內(nèi)是否發(fā)生了空化。由于孔板B與孔板D的阻塞流曲線較為完整,故本研究各選取5 組實驗數(shù)據(jù)通過計算臨界壓差與真實壓差比較,分析依據(jù)壓力恢復系數(shù)判定空化的有效性。對比結果如下。

P1為孔板入口壓力,單位kPa;Qmax為極限流量,單位m3/h;壓力恢復系數(shù)Fl,由式（3）計算得到;ΔPC臨界壓差,單位kPa,由式（4）計算得到;ΔPT為空化特征點（臨界點）處壓差,單位kPa。表2中數(shù)據(jù)顯示,厚孔板B在臨界壓差點的理論與實驗值比較吻合,即壓力恢復系數(shù)可用于判斷空化發(fā)生。

表2 孔板B 數(shù)據(jù)表

其中,ΔPT為初始空化點的壓差,單位kPa;其他數(shù)據(jù)同表2。表3 中數(shù)據(jù)顯示,理論臨界壓差ΔPC大于實驗特征點處壓差ΔPT,證明在孔板D中當壓差小于臨界壓差時就已經(jīng)發(fā)生了空化。

表3 孔板D 數(shù)據(jù)表

通過以上對比結果發(fā)現(xiàn),Fl計算的臨界壓差可以用于判定空化的發(fā)生,但若作為空化初生的判定依據(jù)將會產(chǎn)生很大的誤差。故壓力恢復系數(shù)僅能作為結構抗空化能力趨勢的判斷依據(jù)。

關于準確檢測初始空化問題,本文研究過程中進行了大量的管道振動實驗,以節(jié)流孔板孔板D在入口壓力700 kPa 時為例給出振動信號與非線性空化特征曲線,如圖12 所示。

圖12 流量與振動加速度復合圖

圖中右邊為振動加速度在Z軸方向（垂直于地面方向）信號,由圖中可以明顯得出:（1）振動信號第一次出現(xiàn)明顯變化為空化初生點附近,由于空化產(chǎn)生的氣泡破裂,對管道產(chǎn)生了沖擊,并隨著空化的加劇振動幅度逐漸增大;（2）振動信號在臨界點附近達到峰值;（3）流量進入阻塞流點時,管道內(nèi)形成了穩(wěn)定的氣液兩相流,振動信號隨之減到最弱。故可利用振動加速度信號,作為空化初生的判據(jù)。

依據(jù)目前研究結果,振動發(fā)生的原因主要是由于管路節(jié)流處的壓差過大,管路內(nèi)發(fā)生空化導致的振動。所以要想達到減振的目的,需在管路中進行多級降壓來避免空化發(fā)生,從而達到減振避振的目的。

5 結論

在低出口壓力和大壓差的工況環(huán)境下,液體容易發(fā)生空化形成阻塞流。在建立的汽蝕研究實驗臺架上,用節(jié)流孔板模擬固定開度的調節(jié)閥,研究節(jié)流件非線性空化特征,通過透明管路拍攝圖像處理和CFD 仿真分析得到如下結論。

（1）提出斜梯三角形曲線來表達節(jié)流孔板阻塞流發(fā)展變化的全貌,并描述曲線特征。

（2）非線性空化過程表現(xiàn)為不同斜率的直線、曲線或者是一個點,其具體形式與孔板結構參數(shù)相關。

（3）通過空化圖像拍攝與CFD 仿真確認非線性空化轉折點的特征,其包含空化初生、臨界點、阻塞流點、閃蒸點。

（4）壓力恢復系數(shù)Fl可以作為結構抗空化能力趨勢判斷依據(jù),但是如果作為空化初生的判據(jù)將會存在一定的誤差。振動信號對空化的發(fā)生更加敏感。