李傳君*，陸益順，施衛(wèi)東，高強(qiáng)2，王志強(qiáng)3，徐文嫻2，呂冬明3，谷玉寬2，孟宇江

(1.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇鎮(zhèn)江212013 ；2.江蘇億閥集團(tuán)有限公司， 江蘇揚(yáng)中212221； 3.機(jī)械工業(yè)教育發(fā)展中心， 北京100823)

0 引言

調(diào)節(jié)閥廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，主要用來調(diào)節(jié)并控制管路中介質(zhì)的流量、壓力、溫度、液位等[1]。空化是調(diào)節(jié)閥內(nèi)無法避免的一種水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象,尤其是在調(diào)節(jié)閥開度較小的工況條件下因調(diào)節(jié)閥閥芯與閥座之間的節(jié)流面積很小而導(dǎo)致介質(zhì)流速加快且壓強(qiáng)急劇降低，當(dāng)壓強(qiáng)降低至該介質(zhì)的飽和蒸汽壓以下時(shí)產(chǎn)生汽化，從而產(chǎn)生汽泡。當(dāng)汽泡隨介質(zhì)流動(dòng)到壓強(qiáng)較高的地方便開始收縮、回彈直至潰滅[2]。潰滅時(shí)，在不到1 ms的時(shí)間內(nèi)流體局部壓強(qiáng)可達(dá)數(shù)百兆帕，局部溫度高達(dá)幾千攝氏度[3]。這將對材料表面產(chǎn)生巨大破壞。

由于調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜且完全封閉，采取實(shí)驗(yàn)的方式很難觀察其內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)以及空化發(fā)生位置，且空化的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度是很難測量觀察的，而數(shù)值模擬能將復(fù)雜流動(dòng)可視化，其成本低且效率高。針對這一問題，Sumio等[4]研究了某型調(diào)節(jié)閥的空化狀況，分析了兩種不同結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)閥流道的空化狀況，并比較了二者的空化特性。An等[5]采用混合網(wǎng)格分析了某調(diào)節(jié)閥原始模型的空化狀況，隨后對其閥籠結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)后的模型空化狀況明顯改善。王鵬飛[6]采用RNGk-ε模型、Mixture多相流模型、Zwart-Gerber-Belamri空化模型模擬了不同的閥芯結(jié)構(gòu)、閥門開度、閥座倒角、閥芯錐角以及閥座的倒角長度下的空化狀況。干瑞彬[3]分析了高壓差黑水調(diào)節(jié)閥(一種應(yīng)用于煤直接液化裝置的調(diào)節(jié)閥，其工況惡劣)內(nèi)汽液固三相流動(dòng)狀況，并對分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，使用3種方法強(qiáng)化了流道內(nèi)部表面材料的性能，結(jié)果表明能延長其使用壽命。王黎等[7]采用RNGk-ε模型并結(jié)合近壁面函數(shù)模擬了不同的入口壓強(qiáng)及操作溫度下的空化狀況。

本文根據(jù)調(diào)節(jié)閥流道形狀及邊界條件選擇Mixture多相流模型、Realizablek-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型對調(diào)節(jié)閥原始模型進(jìn)行計(jì)算，并分析其內(nèi)部流動(dòng)狀況，尤其是壓力及空化分布狀況。隨后對閥芯密封面上下兩側(cè)拐角處倒圓角，并多次改變閥芯密封面與垂直方向夾角α和閥芯密封面長度L，采用相同物理模型分別計(jì)算并比較各組參數(shù)下空化狀況，旨在尋找一組空化抑制效果較好的閥芯參數(shù)。

1 模型前處理

1.1 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

該型調(diào)節(jié)閥原始結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，閥門口徑為DN25。主要零件包括閥體、閥座、閥籠及閥芯。流體從左側(cè)流入， 右側(cè)流出。其中,閥芯閥座二者配合起節(jié)流作用，閥籠起整流作用。閥座閥芯結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，閥芯密封面長度L以及閥芯密封面與垂直方向的夾角α兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與調(diào)節(jié)閥的空化狀況密切相關(guān)。

將模型導(dǎo)入前處理軟件ANSYS ICEM CFD中進(jìn)行前處理。將模型入口端延長口徑的3倍距離，這樣閥門內(nèi)部的流動(dòng)才能與真實(shí)流動(dòng)相契合。

一般來說，在數(shù)值計(jì)算中，網(wǎng)格越密則數(shù)值解的精度越高，但計(jì)算資源是有限的，故需要找到網(wǎng)格獨(dú)立的解(所謂網(wǎng)格獨(dú)立解就是當(dāng)網(wǎng)格達(dá)到一定數(shù)量后再進(jìn)一步增加網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算結(jié)果的影響很小)。尋找網(wǎng)格獨(dú)立解的過程被稱為網(wǎng)格的無關(guān)性驗(yàn)證。本文通過劃分不同數(shù)量的網(wǎng)格并用同一種物理模型(Realizablek-ε湍流模型)計(jì)算其質(zhì)量流量并比較其偏差大小，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于5.8×105個(gè)時(shí)，質(zhì)量流量的大小誤差小于2 %，故獲得網(wǎng)格獨(dú)立解的網(wǎng)格數(shù)只需大于5.8×105即可，但考慮到網(wǎng)格數(shù)量太少難以保證網(wǎng)格質(zhì)量，故綜合考慮選取的網(wǎng)格數(shù)量為1.31×106個(gè)。

圖1 DN25型調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)
Fig.1 Structure of the regulating valve

圖2 閥芯和閥座結(jié)構(gòu)
Fig.2 Structure of spool and valve seat

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格數(shù)量確定為1.31×106個(gè)，對關(guān)鍵流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，加密部分如圖4所示。然后,對所有網(wǎng)格進(jìn)行光順操作，以提升質(zhì)量。網(wǎng)格質(zhì)量大于0.3，可滿足計(jì)算要求。

圖3 網(wǎng)格的無關(guān)性驗(yàn)證
Fig.3 Grid independence verification

圖4 關(guān)鍵部分網(wǎng)格加密圖
Fig.4 Grid structure and quality for key parts

2 計(jì)算模型選擇

2.1 多相流模型

空化屬于多相流，綜合考量計(jì)算時(shí)間和精度要求，選擇Mixture多相流模型。該模型在處理高溫、高壓以及可壓縮性氣、汽、液多相流動(dòng)復(fù)雜題上具備較好的能力，其方程組[8-9]如(1)～(3)所示，即：

,(1)

(2)

(3)

其中，式 (1) 為混合相的連續(xù)方程，式 (2) 為混合相的動(dòng)量方程，式 (3) 為第二相體積分?jǐn)?shù)方程。式中，ρm為混合相密度，vm為質(zhì)量平均速度，F(xiàn)為質(zhì)量力，μm為混合相粘度，vdr,k為第二相的漂移速度，vdr,p為相對速度。

2.2 湍流模型

由于在調(diào)節(jié)閥節(jié)流部分壓力梯度較大且考慮到由于流道不規(guī)則會產(chǎn)生一些漩渦，故選擇Realizable k-ε湍流模型。該模型能較好的求解各種不同類型的流動(dòng)[10～11]。k-ε湍流模型包含了k和epsilon兩個(gè)輸運(yùn)方程，分別描述了k(湍流脈動(dòng)動(dòng)能)和ε(湍流耗散率)的輸運(yùn)過程(也就是隨時(shí)間和空間的變化),方程如(4)和(5)所示：

(4)

(5)

式 (4)～(5) 中,ρ為密度，k為湍流脈動(dòng)動(dòng)能，ε為湍流耗散率，μ為動(dòng)力粘度，μt為渦流粘度，σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)，一般分別取1和1.2。uj和xj為速度和方向張量，Gk表示由平均速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能，Gb表示由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能，Ym表示可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對總耗散率的貢獻(xiàn)，Sk和Sε為自定義源項(xiàng)，v為運(yùn)動(dòng)粘度，S為平均應(yīng)變張量模量C1、C2、C1ε以及C3ε都為常數(shù)。

2.3 空化模型

軟件FLUENT中包含了3種空化模型，分別為全空化模型、Zwart-Gerber-Belamri空化模型和Schnerr-Sauer空化模型。3種空化模型都包含相同的空化輸運(yùn)方程和氣泡動(dòng)力學(xué)方程，主要的區(qū)別在于方程后面的兩個(gè)自由項(xiàng)表達(dá)式不同，這兩個(gè)自由項(xiàng)是經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式，分別描述了蒸汽產(chǎn)生和凝結(jié)?？紤]到空化與湍流同時(shí)發(fā)生并產(chǎn)生相互作用，而且還要考慮是否與先前的多相流模型兼容，故選擇Schnerr-Sauer空化模型[12-13]。該模型表達(dá)式如(6)和(7)所示，即：

(6)

(7)

式中，下標(biāo)V表示氣相，α為氣相體積分?jǐn)?shù)，ρV為氣相密度，VV為氣相速度，Re為與氣體生成質(zhì)量相關(guān)的源項(xiàng)，RC為與氣體凝結(jié)質(zhì)量有關(guān)的源項(xiàng)，RB為汽泡半徑，ρ1為液體密度，PB為汽泡表面壓力，P為局部壓力。

當(dāng)PV≥P時(shí)，有：

(8)

當(dāng)PV≤P時(shí)，有：

(9)

該模型的優(yōu)點(diǎn)在于與所有湍流模型都能夠較好地兼容搭配，也適用于Mixture多相流模型，而且收斂速度快，魯棒性良好。

3 原始模型計(jì)算結(jié)果分析

原始調(diào)節(jié)閥模型的閥芯密封面與垂直方向的夾角α=35°，L=6 mm，調(diào)節(jié)閥開度為10 %，也即閥芯閥座密封面之間的垂直距離為2.5 mm，這是該型調(diào)節(jié)閥的一種常用工況。模型的入口邊界條件設(shè)為壓力入口，壓力大小3 MPa。出口邊界條件設(shè)為壓力出口，大小為0.2 MPa。采用SIMPLE算法，二階迎風(fēng)格式，經(jīng)過2 000步的計(jì)算達(dá)到收斂。閥芯處壓力體積云圖如圖5(a)所示，閥芯表面氣相體積云圖如圖5(b)所示。

由圖5 (a) 可知，壓力最低點(diǎn)在閥座與閥芯的拐角處，大小為3 540 Pa，低于常溫水的飽和蒸汽壓，故而會產(chǎn)生空化。由圖5(b)可知，空化發(fā)生在閥芯上側(cè)拐角處并向上側(cè)發(fā)展，該部分與圖5(a)的壓力最低處吻合?？栈蒌螠缬陂y芯拐角上側(cè)壓力增高處[見圖5(b)]?？张莸臐缢a(chǎn)生的高溫高壓會對閥芯表面造成巨大破壞，從而降低其使用壽命[14]。

根據(jù)上述分析可知，該組原始閥芯參數(shù)(α=35°，L=6 mm)會造成大量空泡。因此，調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)是下一步進(jìn)行優(yōu)化的重點(diǎn)。

(a) 原始壓力云圖

(b) 原始閥芯表面氣相體積云圖

圖5 初始壓力及氣相體積云圖
Fig.5 Initial pressure and gas phase volume cloud chart

4 模型優(yōu)化及其結(jié)果分析

4.1 閥芯及閥座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

參考各類文獻(xiàn)中的優(yōu)化思路并對閥芯參數(shù)經(jīng)過多次改進(jìn)[5-6]，試算之后找到了一組優(yōu)化結(jié)果較好的參數(shù)。優(yōu)化后的閥芯結(jié)構(gòu)為α=50°，L=5.5 mm，并將閥芯密封面上下兩側(cè)拐角處進(jìn)行倒圓角，上側(cè)拐角處圓角半徑r1=1 mm，下側(cè)拐角處圓角半徑r2=1.5 mm。然后將改進(jìn)后的零件重新裝配并導(dǎo)入前處理軟件ICEM中再次作前處理，方法與前述相同。

4.2 優(yōu)化后模型的計(jì)算結(jié)果分析

由于優(yōu)化前后的工況和邊界條件均相同，故計(jì)算模型也不變。經(jīng)過2 500步計(jì)算達(dá)到收斂。優(yōu)化后壓力及氣相體積云圖如圖6所示。

(a) 優(yōu)化后壓力云圖

(b) 優(yōu)化后氣相體積云圖

圖6 優(yōu)化后的壓力及氣相體積云圖
Fig.6 Pressure and gas phase volume cloud chart after optimization

由圖6(a)可知，最低壓力數(shù)值并未改變，但低壓區(qū)域位置產(chǎn)生了變化，低壓區(qū)域離閥芯表面仍有一定的間隙。由圖6(b)可知，優(yōu)化后空化發(fā)生的起始處仍處于閥芯密封面上側(cè)拐角處并向上側(cè)發(fā)展，但空化區(qū)域的氣相體積相較于原始模型大大減少。這正是由于低壓區(qū)域位置發(fā)生改變所致。

圖7所示為優(yōu)化前后垂直方向截面上閥芯表面的氣相體積占比狀況。將閥芯密封面上側(cè)拐角處設(shè)定為起始位置，垂直方向的距離間隔為0.25 mm。優(yōu)化前的氣相體積占比如圖7(a)所示。由圖可知，由于空化所產(chǎn)生的大量汽泡附著于閥芯表面，當(dāng)距離達(dá)到3 mm時(shí)明顯減弱。優(yōu)化后的氣相體積占比如圖7(b)所示，距離間隔為0.5 mm時(shí)達(dá)到峰值，且距離間隔大于1.75 mm時(shí)汽泡基本消失，空化區(qū)占據(jù)的距離明顯收窄。圖7中曲線與橫坐標(biāo)之間的面積大小是空化泡的總量。對比圖7(a)(b)可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后閥芯表面的空化泡總量相較于優(yōu)化前減少60 %以上，優(yōu)化效果十分明顯。

(a) 優(yōu)化前閥芯表面氣相體積分?jǐn)?shù)

(b) 優(yōu)化后閥芯表面氣相體積分?jǐn)?shù)

圖7 優(yōu)化前后閥芯表面氣相體積分?jǐn)?shù)
Fig.7 Gas volume fraction on the surface of spool before and after optimization

為了弄清閥芯結(jié)構(gòu)的改變是否會對該型調(diào)節(jié)閥的流量特性造成影響，分別計(jì)算原始模型及優(yōu)化后模型的質(zhì)量流量。經(jīng)過計(jì)算得到原始模型的質(zhì)量流量為6.83 kg/s，改進(jìn)后的模型質(zhì)量流量為6.75 kg/s，二者相差很小，故閥芯閥座結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)對調(diào)節(jié)閥的流量特性影響很小。

4.3 優(yōu)化模型的驗(yàn)證

根據(jù)王鵬飛[6]對液壓錐閥的仿真結(jié)果，適當(dāng)增大閥芯密封面與垂直方向的夾角α對閥芯表面的空化狀況確有抑制效果。另外，可通過如下實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證模擬結(jié)果：在調(diào)節(jié)閥閥體上開一個(gè)透明玻璃窗口，將該模型放在閥門試驗(yàn)臺上，在給定工況下，利用PIV技術(shù)將高速攝像機(jī)固定在透明窗口處測量閥芯密封面處示蹤粒子的瞬態(tài)流速，以此為依據(jù)計(jì)算出閥芯密封面不同位置的空化數(shù)，并比較不同閥芯參數(shù)下空化數(shù)的大小即可驗(yàn)證仿真結(jié)果。

5 結(jié)論

①利用CFD軟件FLUENT對某型調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流場分析，采用Mixture多相流模型、Realizablek-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)原始模型閥芯表面空化狀況較嚴(yán)重。

②對閥芯和閥座參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，數(shù)次增加閥芯密封面與垂直方向夾角α并改變閥芯密封面的長度L。多次試算后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)r1=1 mm，r2=1.5 mm,α=50°且L=5.5 mm時(shí)優(yōu)化效果較好。這種優(yōu)化思路為該型調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)提供一定的借鑒意義。

③優(yōu)化后的模型計(jì)算結(jié)果表明，閥芯表面低壓區(qū)域明顯減小，相應(yīng)的空化域面積減小，閥芯表面空化泡總量較優(yōu)化前減少60 %以上，優(yōu)化取得了預(yù)期效果?？栈癄顩r的改善將會延長該型調(diào)節(jié)閥的使用壽命并抑制其振動(dòng)噪聲狀況。