基于壓力脈動分析的節(jié)流空化流場特性分析

石睿捷 宋 戈 付 豪 馬航遠(yuǎn) 張 東

（北京航天動力研究所，北京 100076）

1 引言

在核電廠、航空航天、石油化工流體輸送管道的系統(tǒng)設(shè)計中，通常在管道中設(shè)置節(jié)流裝置用于流動參數(shù)調(diào)節(jié)和流量計量，由于節(jié)流裝置極易造成過度節(jié)流，引起空化現(xiàn)象，使管道和設(shè)備產(chǎn)生的強烈的振動和噪聲，同時空化形成的沖擊對設(shè)備及管道形成嚴(yán)重的沖蝕磨損，對系統(tǒng)安全運行和現(xiàn)場人員人身安全造成隱患?？栈F(xiàn)象是由于管道中液體的壓力小于液體在當(dāng)?shù)販囟认碌娘柡驼魵鈮?，液體迅速汽化生成氣泡，這些氣泡運動到壓力恢復(fù)區(qū)后又迅速潰滅變?yōu)橐合?，氣泡潰滅后周圍液體以高速沖向空穴區(qū)域，液體相互撞擊使局部壓力驟增，當(dāng)這種沖擊發(fā)生在管道或元件壁面時，會對材料造成沖蝕，影響材料的強度，引起管道的強烈振動。俞軻鑫[1]等對管道系統(tǒng)中的各類節(jié)流件的空化進(jìn)行了仿真研究，表達(dá)了阻塞流發(fā)展過程中的局限性特征和階梯型特征。劉子楊[2]等對給水旁通節(jié)流裝置空化現(xiàn)象進(jìn)行了仿真研究。何超[3]和毛慶[4～6]等對孔板空化誘發(fā)管道振動問題進(jìn)行了試驗和仿真研究，提出了三級節(jié)流孔板方案以消除空化。章昱[7]等對節(jié)流孔板空化進(jìn)行了仿真研究，探究了空化與孔徑和入口壓力的關(guān)系。同時也有大量文獻(xiàn)[8～10]對離心泵空化壓力脈動特性進(jìn)行了特征提取，對空化狀態(tài)識別和診斷進(jìn)行了分析研究。

目前用壓力脈動信號分析方法對空化狀態(tài)進(jìn)行的分析研究大多集中在對離心泵空化的研究，對節(jié)流裝置空化狀態(tài)識別和診斷研究較少，并且當(dāng)節(jié)流裝置下游發(fā)生空化時，節(jié)流裝置入口保持正壓狀態(tài)，而產(chǎn)生的負(fù)壓會對表壓傳感器造成損壞。因此本文針對節(jié)流裝置，以孔板為研究對象，對空化狀態(tài)流場特性開展研究，通過標(biāo)準(zhǔn)偏差和小波分析方法探究節(jié)流裝置入口壓力脈動特性，為節(jié)流裝置空化的狀態(tài)識別提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

2 實驗裝置及測量方法

2.1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)是泵壓式流體輸送系統(tǒng)，主要由泵機組、調(diào)節(jié)閥、流量計、節(jié)流裝置和蓄水池組成，如圖1所示。實驗介質(zhì)為純水，由泵機組將蓄水池中的水增壓，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥流經(jīng)節(jié)流裝置后排放回蓄水池。調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)流量和節(jié)流孔板入口壓力，渦街流量計用于測量流量。實驗裝置如圖2所示，將節(jié)流孔板固定在一對法蘭中間，節(jié)流孔板前后分別設(shè)置入口壓力測點和出口壓力測點，距離節(jié)流裝置均為200mm。結(jié)合現(xiàn)有試驗條件，管道通徑為DN100，節(jié)流孔板孔徑設(shè)置兩種規(guī)格，分別為Φ50mm和Φ47mm。節(jié)流裝置入口壓力和出口壓力由壓力傳感器測量。

圖1 實驗系統(tǒng)原理圖

圖2 節(jié)流裝置示意圖

2.2 實驗參數(shù)與測量方法

設(shè)置7組實驗，每組實驗節(jié)流孔板及流量設(shè)置如表1所示。實驗考察在節(jié)流裝置在空化和非空化狀態(tài)下的入口壓力脈動特性。空化狀態(tài)由測得出口壓力確定，當(dāng)出口壓力為負(fù)壓狀態(tài)時，認(rèn)為節(jié)流裝置發(fā)生空化，當(dāng)出口壓力為正壓狀態(tài)時，認(rèn)為節(jié)流孔板未發(fā)生空化。入口壓力脈動信號采樣頻率為2500Hz。

表1 實驗參數(shù)

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 節(jié)流孔板入口壓力脈動標(biāo)準(zhǔn)偏差分析

圖3是Φ47mm節(jié)流孔板分別在26kg/s、29kg/s、49kg/s流量下的動態(tài)壓力曲線。圖4是Φ50mm節(jié)流孔板分別在26kg/s、45kg/s、62kg/s、88kg/s流量下的動態(tài)壓力曲線。在節(jié)流孔板出口不加反壓的情況下，針對入口壓力脈動信號做標(biāo)準(zhǔn)偏差分析，標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd可表征壓力波動強度。圖5是Φ47mm節(jié)流孔板分別在26kg/s、29kg/s、49kg/s流量下入口壓力脈動的標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd，其中26kg/s、29kg/s流量下節(jié)流孔板未發(fā)生空化，49kg/s流量下發(fā)生空化。圖6是Φ50mm節(jié)流孔板分別在26kg/s、45kg/s、62kg/s、88kg/s流量下入口壓力脈動的標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd，其中26kg/s、45kg/s流量下節(jié)流孔板未發(fā)生空化，62kg/s、88kg/s流量下發(fā)生空化。Φ47mm節(jié)流孔板在26kg/s、29kg/s流量下，入口壓力脈動標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd均低于0.0020，當(dāng)流量增大至49kg/s時，入口壓力脈動標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著增大，高于0.0023。Φ50mm節(jié)流孔板在26kg/s、45kg/s流量下，入口壓力脈動標(biāo)準(zhǔn)偏差較為接近，均低于0.00205，當(dāng)流量增大至62kg/s時，入口壓力脈動增大至0.0021，當(dāng)流量增大至88kg/s時，入口壓力脈動增大至0.0025。節(jié)流孔板在非空化階段壓力脈動較小，隨著流量增大，節(jié)流孔板進(jìn)入空化階段，壓力脈動顯著增大，此時節(jié)流孔板下游低壓區(qū)產(chǎn)生大量氣泡，氣泡運動呈現(xiàn)出髙幅值脈動特性。利用節(jié)流孔板壓力脈動標(biāo)準(zhǔn)偏差分析可從時域角度對節(jié)流孔板空化進(jìn)行狀態(tài)識別。

圖3 Φ 47mm節(jié)流孔板不同流量下的動態(tài)壓力曲線

圖4 Φ 50mm節(jié)流孔板不同流量下的動態(tài)壓力曲線

圖5 Φ 47mm節(jié)流孔板不同流量下的入口壓力脈動標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd

圖6 Φ 50mm節(jié)流孔板不同流量下的入口壓力脈動標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd

3.2 節(jié)流孔板入口壓力脈動小波分析

小波分析方法在信號分析處理及特征信息提取方面具有極大的潛力，被廣泛應(yīng)用于流體壓力脈動信號的處理中。原始信號通過小波變換的方式被分解為具有不同頻率范圍的低頻近似信號和高頻細(xì)節(jié)信號。分解過程重復(fù)進(jìn)行，直到達(dá)到理想的分解層數(shù)，如圖7所示，圖中D1、D2……為多分辨率分解的細(xì)節(jié)信號；A1、A2……為分解的近似信號。

圖7 信號的分解過程

對Φ47mm節(jié)流孔板和Φ50mm節(jié)流孔板入口壓力脈動信號選取DB5小波基進(jìn)行小波分解，動態(tài)壓力型號進(jìn)行16層多尺度分解。本文所用分析方法是采用各尺度信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差來分析各頻段下波動的壓力脈動特征。表2是各層細(xì)節(jié)信號所對應(yīng)的頻率范圍。圖8是Φ47mm節(jié)流孔板在26kg/s下壓力脈動的小波16層尺度分解壓力信號，17組動態(tài)壓力曲線分別對應(yīng)d1～d16及a16尺度，可以看出17組動態(tài)壓力曲線波動頻率逐漸減小，通過對17組動態(tài)壓力信號計算標(biāo)準(zhǔn)偏差，得到壓力脈動各頻段下的波動強度。

表2 各尺度對應(yīng)的頻段范圍

圖8 Φ 47節(jié)流孔板在26kg/s下壓力脈動的小波16層尺度動態(tài)壓力曲線

圖9是Φ47mm節(jié)流孔板分別在26kg/s、29kg/s、49kg/s流量下入口壓力脈動小波分解各尺度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖10是Φ50mm節(jié)流孔板分別在26kg/s、45kg/s、62kg/s、88kg/s流量下入口壓力脈動壓力脈動小波分解各尺度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖9表明，Φ47mm節(jié)流孔板壓力脈動主頻主要集中在高頻段d1（1250～2500Hz），在空化狀態(tài)（49kg/s）下d14頻段（0.15～0.31Hz）波動強度與非空化狀態(tài)相比明顯增強。圖10表明，Φ50mm節(jié)流孔板壓力脈動主頻集中在高頻段d1（1250 ～2500Hz），當(dāng)流量為62kg/s時，d14頻段（0.15～0.31Hz）波動強度顯著增強，當(dāng)流量增加至88kg/s時，d15頻段（0.076～0.15Hz）波動強度顯著增強。節(jié)流孔板在發(fā)生空化時產(chǎn)生大量氣泡，節(jié)流孔板下游呈現(xiàn)氣液兩相流狀態(tài)，氣泡運動呈現(xiàn)出低頻髙幅值的運動狀態(tài)，隨著流量增大，氣泡數(shù)量和氣相體積分率均增大，低頻脈動頻率繼續(xù)降低，幅值繼續(xù)增大。用小波分析的方法可從頻域和時域角度對節(jié)流孔板空化及氣泡運動進(jìn)行狀態(tài)識別和空化診斷。

圖9 Φ 47節(jié)流孔板不同流量下的入口壓力脈動小波分析各頻段Sd

圖10 Φ 50mm節(jié)流孔板不同流量下的入口壓力脈動小波分析各頻段Sd

3.3 節(jié)流孔板空化特性的流場仿真

針對Φ50mm節(jié)流孔板在汽蝕狀態(tài)下的空化流場進(jìn)行仿真計算，設(shè)置速度入口為10m/s（約88kg/s流量），出口壓力為0，采用VOF模型，考察空化區(qū)氣液兩相流場特性。圖11是Φ50mm節(jié)流孔板在10m/s流速下的空化區(qū)流場兩相云圖及流線圖。圖12是孔板下游沿徑向壓力曲線。圖11表明節(jié)流孔下游靠近管道壁面處形成漩渦脫落，空化氣泡產(chǎn)生區(qū)域與漩渦位置基本一致。圖12表明孔板下游沿程100mm位置從管道中心沿徑向至管壁，壓力逐漸降低，壓力低至水的飽和蒸氣壓3540Pa（絕壓）后，壓力不再降低，此區(qū)域即為漩渦區(qū)。壓力較高的流體以很高的流速從節(jié)流孔噴出，在射流的紊動擴(kuò)散作用下，對漩渦區(qū)壓力較低的流體產(chǎn)生卷吸作用，發(fā)生動量交換，同時漩渦區(qū)沒有足夠的流體補充進(jìn)來，呈現(xiàn)出負(fù)壓狀態(tài)，形成真空引射作用。當(dāng)流速足夠高時，漩渦區(qū)在真空引射下的作用下壓力低于當(dāng)?shù)仫柡驼魵鈮海栈a(chǎn)生氣泡，氣泡產(chǎn)生和運動周期約為0.2Hz，導(dǎo)致低頻壓力脈動的產(chǎn)生，符合d14頻段（0.15～0.31Hz）特征。

圖11 Φ 50節(jié)流孔板10m/s流速下空化區(qū)流場兩相云圖及流線圖

圖12 孔板下游沿程100mm位置沿徑向壓力曲線

4 結(jié)束語

a.節(jié)流孔板發(fā)生空化時，產(chǎn)生的氣泡運動呈現(xiàn)低頻髙幅值的壓力脈動特性，節(jié)流孔板入口壓力脈動強度顯著高于非空化狀態(tài)，利用小波分析可識別出節(jié)流孔板入口壓力脈動空化狀態(tài)下的低頻髙幅值脈動特性。

b.節(jié)流孔板形成空化的機理是由于節(jié)流孔后在真空引射的作用下，在漩渦區(qū)形成低壓區(qū)，液相空化產(chǎn)生氣泡。

c.可通過提取壓力脈動信號特征對閥門、孔板等節(jié)流裝置進(jìn)行空化狀態(tài)識別和診斷，為閥門、孔板等節(jié)流裝置的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。