旋流式套筒閥結(jié)構(gòu)改進及流場空化研究

摘 要 以DN 2000大口徑套筒閥為研究對象，將閥內(nèi)直流式套筒設(shè)計為旋流式套筒。采用Fluent數(shù)值模擬方法分析套筒閥不同開度下的壓力、流線等，研究直流式和旋流式套筒對流場特性的影響，并對比閥內(nèi)空化現(xiàn)象。結(jié)果表明：給定壓差條件為0.8 MPa時，流體通過直流式套筒閥后，在出口段管壁處產(chǎn)生空化現(xiàn)象；流體通過旋流式套筒閥后呈螺旋狀流動，在管道中心形成空化現(xiàn)象，且旋流式套筒閥內(nèi)產(chǎn)生的氣相與空化強度均小于直流式套筒閥。因此，旋流式套筒閥比直流式套筒閥具有一定的抗空化性能，能夠防止空化對閥內(nèi)零件和管道壁面的破壞。

關(guān)鍵詞 套筒閥 旋流式 數(shù)值模擬 結(jié)構(gòu)改進 空化

中圖分類號 TQ055.8+1" "文獻標(biāo)志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）05?0689?07

基金項目：甘肅省青年科技基金計劃（批準號：22JR5RA297）資助的課題。

作者簡介：張希恒（1966-），副教授，從事閥門的設(shè)計與密封研究，zhangxhdm@163.com。

引用本文：張希恒，衛(wèi)鈞煥，吳佳麗，等.旋流式套筒閥結(jié)構(gòu)改進及流場空化研究［J］.化工機械，2024，51（5）：689-695.

目前，為解決南北水資源供求問題，我國引調(diào)水工程數(shù)量逐漸增加［1］，套筒閥作為重要控制元件被廣泛應(yīng)用其中，主要用于管路系統(tǒng)的流量、壓力等的調(diào)節(jié)。由于套筒閥流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體流過套筒后會在節(jié)流槽和管壁處發(fā)生空化現(xiàn)象，這將會使閥內(nèi)零件和管道產(chǎn)生嚴重的氣蝕和振動，長此以往就會導(dǎo)致閥門工作效率和使用壽命大幅降低［2］。

隨著國內(nèi)外學(xué)者對套筒閥流場空化現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)，李燕輝等基于Fluent計算模擬軟件對大口徑活塞套筒式調(diào)流調(diào)壓閥穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的啟閉過程中流量流阻特性和湍動能進行對比分析，闡述了閥門在不同開度下工作流動特性［3］。唐澤潤等研究多噴孔活塞式調(diào)流調(diào)壓閥空化流動特性，基于模擬分析了大、中、小開度下在節(jié)流附近區(qū)域處產(chǎn)生空化的機制［4］。林騰蛟等對船用二級調(diào)壓閥建立流域瞬態(tài)仿真模型，得到調(diào)壓閥開度或背壓增大使得流體空化強度減弱且范圍減小，流量增大致使流場空化強度增強且范圍增大［5］。鄧君對活塞式調(diào)節(jié)閥的引流結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和仿真數(shù)值計算，優(yōu)化后的迷宮式多級降壓結(jié)構(gòu)可以有效減少漩渦、紊流的產(chǎn)生，并且抑制汽蝕能力明顯增強［6］。QU W S 等對不同開度下壓力調(diào)節(jié)閥的空化性能進行了試驗和數(shù)值模擬，并且利用數(shù)值模擬方法對不同進口條件下的空化性能進行了預(yù)測［7］。李威等結(jié)合數(shù)值仿真和實驗，研究分析了活塞式調(diào)節(jié)閥阻塞流是由于閥內(nèi)節(jié)流壁面壓力過低和空化閃蒸造成的［8］。

由實際工況和以上研究發(fā)現(xiàn)，套筒閥結(jié)構(gòu)以直流式套筒模型居多，在工作時，易在套筒縮流處、管道內(nèi)壁面形成空化損傷。筆者以套筒閥為研究對象，將直流式套筒改進為旋流式套筒［9，10］，以達到降低閥內(nèi)空化程度的目標(biāo)。所以運用仿真軟件，分別對直流式套筒閥和旋流式套筒閥進行流場空化模擬，對比分析兩者套筒閥空化現(xiàn)象，為降低套筒閥內(nèi)空化提供優(yōu)化參考。

1 仿真預(yù)處理

1.1 套筒改進及建模

筆者以套筒閥為研究對象，使用Solidworks 2020建立套筒閥的三維模型，圖1所示為套筒閥模型示意圖，圖2為套筒閥套筒結(jié)構(gòu)，圖2a為直流式套筒；為了防止管道壁面產(chǎn)生氣蝕，將直流式套筒設(shè)計為旋流式套筒，其套筒節(jié)流槽口與外表面設(shè)置30°夾角，設(shè)計后的旋流式套筒結(jié)構(gòu)如圖2b所示，流體沿著夾角流出節(jié)流槽后與流道壁面形成一定的切向速度，形成螺旋狀流動以達到防氣蝕的目的。

1.2 網(wǎng)格劃分及工況參數(shù)

使用ANSYS Workbench提供的DM（Design Modeler）模塊反向建模，抽取內(nèi)部流道區(qū)域，套筒閥結(jié)構(gòu)內(nèi)部流道區(qū)域如圖3所示。依據(jù)國家標(biāo)準GB/T 30832—2014，同時對閥門進出口兩端加長管道，進口段長度為閥門的5倍口徑，出口段長度為閥門的10倍口徑，并對模型進行適當(dāng)簡化處理使數(shù)值模擬更加接近實際工況。使用預(yù)處理軟件ICEM CFD對閥內(nèi)流道模型進行網(wǎng)格劃分，以進出口管道為四面體和閥體為非結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格相結(jié)合的劃分技術(shù)。為確保數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，對內(nèi)部套筒結(jié)構(gòu)進行局部網(wǎng)格加密［11］，流體區(qū)域網(wǎng)格如圖4所示。

現(xiàn)以直流式套筒閥的50%相對開度為計算模型，生成4種類型的網(wǎng)格數(shù)量，以此進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。由表1驗證結(jié)果可得，選用類型三的網(wǎng)格數(shù)量進行模擬計算最為恰當(dāng)。

模擬計算設(shè)置工作流體主相為水，次相為水蒸氣，物性參數(shù)列于表2。在空化仿真模擬時，選Mixture多相流計算模型模擬氣液兩相流動。湍流模型選Realizable k?ε湍流模型，近壁面區(qū)域采用標(biāo)準壁面函數(shù)，以提高空化模擬的精度。

在幾何模型的管道兩端設(shè)置壓力邊界，進口壓力為0.8 MPa，出口壓力為0 MPa。模擬穩(wěn)態(tài)流場時采用Pressure?Based求解器求解，選用Schnerr?Sauer空化模型、SIMPLE算法和具有二階精度的迎風(fēng)格式進行流場計算求解，設(shè)置殘差精度為10-5，對入口流量和出口流量進行檢測，當(dāng)殘差曲線基本保持不變時可認為模擬完成。

2 理論模型

2.1 空化模型

考慮介質(zhì)相變、不凝結(jié)氣體、氣動阻力以及空泡表面張力等因素影響，由對比分析得出Schnerr?Sauer空化模型更能體現(xiàn)出湍流脈動壓力對蒸汽體積分數(shù)與氣泡數(shù)影響，計算結(jié)果更加接近于實際值，所以采用Schnerr?Saue空化模型［12］，其控制方程如下：

R=α（1-α），plt;p（1）

R=α（1-α），p≥p（2）

式中 p——某溫度下的絕對壓力；

p——流體在當(dāng)前溫度下的飽和蒸汽壓；

R——生成空泡半徑；

R——蒸汽產(chǎn)生速率；

R——蒸汽凝結(jié)速率；

α——空泡相體積分數(shù)；

ρ——混合相密度；

ρ——液體密度；

ρ——氣體密度。

2.2 湍流方程

在計算中，采用Mixture多相流模型，將液相與氣相作為混合流體相進行研究［13］，忽略氣液兩相間的滑移速度和體積力，其連續(xù)性控制方程如下：

氣相" "（αρ）+▽（αρV）=R-R（3）

液相" "（αρ）+▽（α ρV）=R-R（4）

混合相" （ρ）+▽（ρV）=0（5）

式中 V——流體速度矢量；

α——液相體積分數(shù)。

2.3 渦-流函數(shù)

在旋流式套筒閥中，流體為旋流運動，且質(zhì)量力忽略不計。采用柱坐標(biāo)系統(tǒng)［14］，在該坐標(biāo)系下，流體運動可分解為徑向、切向和軸向三維運動，其控制方程：

=-ur（6）

=ur（7）

Ω=-（8）

Ω=-（9）

Ω=（10）

將式（6）、（7）代入式（9），整理可得下式所示的渦-流函數(shù)：

+-+f（Φ）=0（11）

f（Φ）=（12）

式中 r——管道半徑；

u——速度分量；

Φ——斯托克斯流函數(shù)；

Ω——渦矢量；

下標(biāo) r、z、θ——柱坐標(biāo)系。

3 流場及空化特性分析

由于篇幅有限，故選取直流式和旋流式套筒閥分別為30%、50%、90%開度的閥內(nèi)流體壓力、渦流湍能、空化區(qū)域進行對比分析。

3.1 流道壓力分布

圖5為直流式和旋流式套筒閥不同開度下壓力分布云圖。由圖可知，在兩種結(jié)構(gòu)套筒閥進口段管道內(nèi)壓力都為0.8 MPa，且呈均勻分布。圖5a為直流式套筒閥壓力云圖，可以看到，流體流過直流式套筒后，閥腔內(nèi)壓力幾乎沒有變化，在出口段前端壓降較大，隨閥門開度增加，形成的沖擊射流對沖程減弱，壓降區(qū)域逐漸減小；圖5b是旋流式套筒調(diào)流閥的壓力云圖，可以看到，流體流過旋流式套筒后，閥腔及出口段管道中心處壓力低于管壁處壓力。

圖6為套筒閥沿z軸方向壓力值曲線，坐標(biāo)原點設(shè)在套筒中心。以直流式套筒閥30%開度壓力云圖中坐標(biāo)軸所示（圖5a），對比分析直流式和旋流式套筒閥在z軸方向的壓力分布。由圖6可以看到，直流式套筒閥沿z軸方向壓力呈下降趨勢，套筒中心壓力最高；在距離套筒中心0.5 m處壓力低于水的飽和蒸汽壓；在靠近管道壁面區(qū)域的0.6～0.8 m處為負壓區(qū)，最低壓力為-0.075 MPa，該區(qū)域流體壓力低于飽和蒸氣壓而易形成空化發(fā)生汽蝕破壞。旋流式套筒閥沿z軸方向的壓力值曲線呈上升趨勢，在距離套筒中心0.0～0.4 m處為負壓區(qū)，最低壓力-0.093 MPa，該區(qū)域為套筒中心處，易形成空化現(xiàn)象，由于該區(qū)域遠離管道壁面，不會發(fā)生汽蝕破壞；隨著z軸距離的增加，流體壓力逐漸增大，管道壁面處壓力最高為0.068 MPa，大于飽和蒸氣壓，不會產(chǎn)生空化。

由此看出，旋流式套筒結(jié)構(gòu)會影響管道內(nèi)部流體壓降區(qū)域位置，進而改變閥門管道中空化形成部位。

3.2 流線分析

圖7為直流式和旋流式套筒調(diào)流閥在30%、50%、90%開度下的流線云圖。由圖7a可以看到，流體通過直流式套筒后對沖出流發(fā)生剪切效應(yīng)，使閥腔、管道壁面處的速度小于管道中心的速度，隨著閥門開度變大，管道中心區(qū)域速度達到了23.99 m/s，管壁處速度為4.42 m/s，同時在閥腔、管壁處形成渦流。流體在管壁處低速區(qū)域形成的渦流會產(chǎn)生漩渦型空化，直接作用于管道壁面會導(dǎo)致較為強烈的振動從而發(fā)生汽蝕水擊。由圖7b可以看到，流體通過旋流式套筒后，以30°的角度從節(jié)流槽旋切流出，其靜壓力大部分轉(zhuǎn)化成介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)運動，然后以螺旋狀繼續(xù)向出口段下游流動，在節(jié)流槽出口位置流速增大，此時流體流速主要為切向速度，套筒節(jié)流槽口和管壁處的線速度大于管道中心處速度，隨著閥門開度變大，節(jié)流槽出口流體最大速度達28.23 m/s，管道中心最大速度為7.15 m/s。同時流體在螺旋狀流動中，氣液兩相流所受到慣性離心力使氣液分離，氣體被集中流道中心，徑向水流旋渦程度越大，使空化形成的氣泡更易集中在管道中心區(qū)域。

3.3 湍能分析

圖8所示為在不同開度下直流式和旋流式套筒閥湍動能沿套筒中心z軸方向的分布情況。從圖8a看出，直流式套筒閥在z軸方向上湍動能呈先增大后減小，在距離套筒中心0.6 m處，30%開度下湍動能出現(xiàn)最大峰值為45.34 J/kg；達到90%開度時，距離套筒中心0.8 m處湍動能由22.46 J/kg降低至18.21 J/kg，這是由于流體在0.6～0.8 m區(qū)域處對沖出流發(fā)生碰撞，導(dǎo)致湍動能變化劇烈。從圖8b看出，隨著旋流式套筒z軸方向距離的增加，湍動能逐漸增大，在距離套筒中心0.8 m處，30%開度下湍動能最大為44.02 J/kg，此處為節(jié)流槽出口位置，流體沿套筒槽口切向角度旋切流出，速度增大，湍動能隨之變大，同時開度越大，節(jié)流槽出口處湍動能越小。結(jié)合圖8a、b可得，在節(jié)流槽和管壁附近，旋流式套筒閥湍動能高于直流式套筒閥的。因此，旋流式套筒閥湍流耗散強度大于直流式套筒閥，從而能夠抑制空化的形成。

3.4 空化區(qū)域

圖9為直流式和旋流式套筒閥的閥內(nèi)氣相體積分數(shù)云圖。由圖9可以看到，隨著開度的增大，空化區(qū)域逐漸減小。在30%開度時，直流式套筒閥形成空化區(qū)域主要集中在出口段管壁處，空化區(qū)域氣泡破滅會直接對管壁造成汽蝕損傷，如圖9a所示；旋流式套筒閥形成的空化區(qū)域遠離管道壁面，由節(jié)流槽處轉(zhuǎn)移至閥腔和管道中心處，產(chǎn)生的空化振動經(jīng)過周圍介質(zhì)的吸收和消耗，可防止管道壁面被破壞，如圖9b所示。在50%開度時，直流式和旋流式套筒閥的空化區(qū)域都在節(jié)流槽出口處形成，如圖9圓圈所示。達到90%開度時，直流式和旋流式套筒閥流道內(nèi)基本無空化發(fā)生。圖10為兩種套筒結(jié)構(gòu)閥內(nèi)氣相體積分數(shù)曲線圖，在10%～50%開啟過程中，兩者閥內(nèi)產(chǎn)生的氣相分數(shù)呈非線性減小，直流式套筒閥在出口段管壁處產(chǎn)生氣相體積分數(shù)最大為5.10%，旋流式套筒閥在流道中心處產(chǎn)生的氣相體積分數(shù)最大為3.86%，在50%～100%開度下，兩種套筒結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生的氣相分數(shù)較小可忽略不計，結(jié)合圖9、10可以得到，旋流式套筒閥產(chǎn)生的氣相體積分數(shù)小于直流式套筒閥的，在管道中心形成空化區(qū)域，從而可以降低氣蝕對套筒閥及管壁的材料損傷。

空化數(shù)是空化研究和應(yīng)用中最重要的參數(shù)，可以用來度量流體運動中空化劇烈程度，故采用空化數(shù)δ來判斷直流式和旋流式套筒閥的空化強度，由標(biāo)準規(guī)范ISA?RP 75.23—1995可得，空化數(shù)δ計算公式為：

δ=" " " （13）

式中 p——套筒閥進口壓力，Pa；

p——套筒閥出口壓力，Pa。

圖11為數(shù)值模擬計算得到的直流式和旋流式套筒閥各相對開度下的空化數(shù)曲線。由圖11得到，兩種套筒閥計算得到的空化數(shù)都呈非線性增大，隨著閥門開度變大，直流式套筒閥的空化數(shù)由0.998增大至1.012，旋流式套筒閥的空化數(shù)由1.001增大至1.014，旋流式套筒調(diào)流閥計算得到的空化數(shù)大于直流式套筒閥。空化數(shù)越小，空化強度越大，對閥門造成的汽蝕損傷也就越大。對比得到旋流式套筒調(diào)流閥內(nèi)的空化強度小于直流式套筒閥，所以抗空化性能較強于直流式套筒閥。

4 結(jié)論

4.1 旋流式套筒閥閥內(nèi)壓降區(qū)域集中在管道中心，在套筒、管道中心處易形成空化；直流式套筒閥低壓區(qū)域主要集中在出口段管壁處，在出口端管壁處易形成空化，對管道壁面造成空化損傷。

4.2 旋流式套筒閥閥內(nèi)流體通過套筒后呈螺旋狀向下游流動；在套筒節(jié)流槽、管壁附近，旋流式套筒閥產(chǎn)生的湍動能大于直流式套筒閥。

4.3 旋流式套筒閥的空化強度和氣相體積分數(shù)均小于直流式套筒調(diào)流閥。綜合分析，旋流式套筒閥具有較強的抗空化性能，能夠有效防止空化對閥內(nèi)零件及管道壁面的破壞。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-10-24，修回日期：2024-09-13）

Structure Improvement of Swirl Sleeve Valves and Study of

Flow Field Cavitation

ZHANG Xi?heng， WEI Jun?huan， WU Jia?li， ZHAO Xin?yu， XUE Rui?yuan

（College of Petrochemical Engineering， Lanzhou University of Technology）

Abstract" "Through taking DN 2000 large diameter sleeve valve as the research object， the straight flow sleeve within the valve was developed into a spiral flow one. Through using the Fluent simulation to analyze both pressure and streamline of the sleeve valve with different openings， the influence of two different sleeve structures on the flow field characteristics of the regulating valve was investigated and the cavitation phenomenon in the valve was compared. The results show that， as for the given pressure difference of 0.8 MPa， the medium passing through the straight groove sleeve valve generates cavitation in the outlet section of the pipe wall and the medium passing through the spiral sleeve valve runs in a spiral shape and generates cavitation in the center of the pipeline and both gas phase and cavitation strength generated in the rotary sleeve valve are smaller than that in the straight groove sleeve valve. The spiral sleeve valve has a certain anti?cavitation ability than the straight groove sleeve valve， which can prevent the cavitation damage to valve parts and pipe wall.

Key words" " sleeve valve， spiral?flow type， numerical simulation， structure improvement， cavitation