隋 帆,徐東濤,彭思達(dá),路慶發(fā),王成龍,孟祥瑞

(1.遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧 鞍山 114051;2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司 東鞍山燒結(jié)廠,遼寧 鞍山 114041)

引言

調(diào)節(jié)閥是控制系統(tǒng)中的重要部件,可以控制流體流量、節(jié)流、穩(wěn)壓等[1-2]。當(dāng)介質(zhì)為液體時(shí),在高壓差、高流速的工況下,流場內(nèi)壓力急劇下降到該液體飽和蒸氣壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)空化現(xiàn)象,液體氣化閃蒸成氣泡,壓力恢復(fù)后空化氣泡破裂,從而形成空蝕和空化振動(dòng),當(dāng)空化振動(dòng)的主頻率與調(diào)節(jié)閥的固有頻率相等或相近時(shí),將會(huì)引發(fā)流致共振。這種共振引起閥內(nèi)件產(chǎn)生位移和大變形,形成巨大噪聲,嚴(yán)重影響生產(chǎn)線的人員安全與產(chǎn)品質(zhì)量[3-5]。

國內(nèi)外一些學(xué)者對于調(diào)節(jié)閥的空化抑制進(jìn)行了研究。李樹勛等[6]設(shè)計(jì)了多層套筒閥,研究其在高溫、高壓降條件下產(chǎn)生的空化現(xiàn)象及其引起的氣蝕破壞問題,通過閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化,影響流場的氣液兩相體積分布。王銀等[7]改進(jìn)了液壓錐閥的錐角結(jié)構(gòu),分析了典型開度下錐閥流場空化程度,總結(jié)出抑制空化的有效手段。JIN Z J等[8]分析了調(diào)節(jié)閥不同閥芯形狀對流場空化程度和強(qiáng)度的影響,從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)。HE J等[9]基于熵產(chǎn)生理論,對調(diào)節(jié)閥流場的流動(dòng)特性進(jìn)行研究,分析了氣蝕對系統(tǒng)熵產(chǎn)生的影響,從而實(shí)現(xiàn)通過穩(wěn)態(tài)流場的變化來檢測閥的氣蝕程度。YAGHOUBI H[10]對控制閥的空化形成機(jī)理進(jìn)行研究,分析了不同閥芯數(shù)量對空化強(qiáng)度、形成位置等的影響。KAPRANOVA A B等[11]基于能量法對流場內(nèi)空化氣泡尺寸變化進(jìn)行研究,分析了空化振動(dòng)的強(qiáng)度。QIAN J 等[12]研究了套筒型控制閥的空化特性,仿真分析了節(jié)流窗口數(shù)量以及流體流動(dòng)方式對流場空化的影響。

近年來,有關(guān)調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的算法也有了一些進(jìn)展。QU G D等[13]以微流量控制閥為研究對象,基于鳥群算法對閥套和閥芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),有效地解決閥芯與閥套之間的配合問題,得出了閥口關(guān)鍵位置的最優(yōu)壓力緩沖效果。李衛(wèi)民等[14]以大流量換向閥為研究對象,利用響應(yīng)面法結(jié)合多目標(biāo)遺傳算法,以泄漏量和卡緊力為目標(biāo)參數(shù),對閥芯的均壓槽尺寸和分布進(jìn)行優(yōu)化。張勝等[15]利用遺傳算法對滑閥的流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使閥芯在開啟過程中所受液動(dòng)力明顯減小。

根據(jù)空化的形成機(jī)理,設(shè)計(jì)多級降壓調(diào)節(jié)閥,通過增加外層套筒和籠式閥座,實(shí)現(xiàn)逐級降壓,抑制空化現(xiàn)象的發(fā)生。在保證流量特性的前提下,如何設(shè)計(jì)多孔式的外層套筒和籠式閥座的開孔數(shù)量和孔徑,才能更有效地抑制空化,一直是設(shè)計(jì)高品質(zhì)調(diào)節(jié)閥的一個(gè)難題。

通過對多級降壓調(diào)節(jié)閥的閥內(nèi)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,分析其在不同外層套筒和籠式閥座節(jié)流孔孔徑、孔數(shù)的配置條件下的流場氣體體積分?jǐn)?shù)。通過Box-Behnken響應(yīng)面法分析多個(gè)參數(shù),及其交互作用對流場氣體體積分?jǐn)?shù)的影響,構(gòu)建流場最大氣體體積分?jǐn)?shù)與外套筒節(jié)流孔孔徑、孔數(shù)以及籠式閥座節(jié)流孔孔徑3個(gè)因素的回歸方程,最大限度地抑制流場內(nèi)的空化現(xiàn)象。

1 多級降壓調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多級降壓調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示,由閥桿、閥蓋、平衡缸、內(nèi)套筒、外套筒、閥塞、籠式閥座和閥體等零件組成。閥桿連接著閥塞,在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下,在行程范圍內(nèi)上下移動(dòng),控制閥的流量。

圖1 多級降壓調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)

內(nèi)外套筒和籠式閥座上設(shè)置多個(gè)節(jié)流孔,開孔直徑、孔數(shù)以及孔的排列分布直接影響著閥的流量特性、壓力分布和空化特性。當(dāng)流體流過節(jié)流元件時(shí),流通面積減小,流體流速升高,壓力降低,當(dāng)部分流體壓力降低到當(dāng)前溫度的飽和蒸氣壓時(shí),就會(huì)有部分液體閃蒸成氣泡,壓力恢復(fù)后,氣泡破裂,產(chǎn)生空蝕。設(shè)計(jì)外套筒和籠式閥座可以將閥兩端的高壓差逐級降低,使其減少急劇下降到飽和蒸氣壓以下,可以有效抑制閃蒸、空化現(xiàn)象產(chǎn)生。

調(diào)節(jié)閥的介質(zhì)為常溫水,根據(jù)出入口的壓力,按照HG T20570標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)降壓等級:

(1)

式中,n——降壓等級

p1——入口壓力

p2——出口壓力

介質(zhì)經(jīng)過節(jié)流元件,各級壓降量需要按幾何級數(shù)遞減的降壓規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì),總壓降滿足:

(2)

將調(diào)節(jié)閥的總壓力按何級數(shù)遞減分配給各級降壓元件,從而可以得到各級理論開單孔直徑:

(3)

式中,Q0——理論體積流量

C——節(jié)流元件相對流量系數(shù)

γ——流體相對密度(與4 ℃時(shí)水的密度之比)

將上述孔徑進(jìn)行等值分配,可以設(shè)計(jì)出節(jié)流元件上開孔的數(shù)量和孔徑。但以上設(shè)計(jì)僅能滿足流場壓力的逐級下降,要滿足最優(yōu)抑制流場空化,仍需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化開孔的數(shù)量和孔徑。

2 調(diào)節(jié)閥的流動(dòng)特性仿真分析

2.1 仿真模型的建立

通過SolidWorks 3D建模軟件建立調(diào)節(jié)閥3D模型,其通徑為80 mm,閥塞直徑為65 mm。將調(diào)節(jié)閥3D模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行反向建模,生成與各開度對應(yīng)的流體模型,根據(jù)閥門的對稱性,為了提高計(jì)算效率可采用半模型仿真。

2.2 網(wǎng)格的無關(guān)性驗(yàn)證

使用Fluent Meshing對流體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用多面體網(wǎng)格,并對局部進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證以100%開度穩(wěn)態(tài)條件下得到的出口平均流速和出口體積流量大小作為判斷依據(jù)。設(shè)置調(diào)節(jié)閥入口和出口壓力分別為10 MPa 和2 MPa,仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 流體網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表格數(shù)據(jù),當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)從896278～1036619時(shí),仿真得到調(diào)節(jié)閥出口處的平均流速和出口體積流量數(shù)據(jù)趨向穩(wěn)定,進(jìn)一步細(xì)化有限元網(wǎng)格對仿真精度影響不大,同時(shí)考慮到計(jì)算時(shí)間、精度以及計(jì)算時(shí)殘差收斂程度等,選用896278網(wǎng)格單元數(shù)作為最終網(wǎng)格模型,可以滿足流體有限元網(wǎng)格無關(guān)性要求。圖2為網(wǎng)格模型和局部網(wǎng)格細(xì)化。

圖2 流體有限元網(wǎng)格

2.3 流量數(shù)值仿真分析

節(jié)流元件外套筒的孔徑為4 mm,孔數(shù)為90,籠式閥座的孔徑為4 mm。根據(jù)實(shí)際工作條件,選取常溫液態(tài)水作為流體介質(zhì),選用精度較高的RNGk-ε模型,邊界條件采用壓力入口和壓力出口,入口與出口壓力分別為10 MPa和2 MPa,閥塞行程為38 mm,流通方式采用底進(jìn)側(cè)出,調(diào)節(jié)閥的內(nèi)套筒開孔按照Cv=44 m3/h 等百分比流量特性設(shè)計(jì)。仿真計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)下各個(gè)開度的出口體積流量Q,換算成流量系數(shù)Cv:

(4)

式中,Kv——流通能力,m3/h

ρ——介質(zhì)密度,g/cm3

各開度x下經(jīng)過調(diào)節(jié)閥的體積流量仿真值與理論值對比如圖3所示。

圖3 仿真流量系數(shù)與理論數(shù)據(jù)對比

從圖3中可以看出,仿真得到的調(diào)節(jié)閥流量特性較好地符合等百分比流量特性,流量系數(shù)Cv=42.5 m3/h。10%,50%,70%,80%,100%開度流量系數(shù)仿真值小于理論值,在100%開度時(shí)誤差最大為3.4%,符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 調(diào)節(jié)閥壓力場仿真分析

以穩(wěn)態(tài)場作為瞬態(tài)場的初始值;設(shè)置時(shí)間步長0.00025 s,步數(shù)8000,仿真分析2 s流場內(nèi)部的流動(dòng)特性。對10%,40%,70%,100% 4種典型開度,2 s時(shí)刻流場壓力進(jìn)行數(shù)值模擬。圖4為4種典型開度下壓力分布云圖。

圖4 不同開度壓力云圖

從圖4中可以看出,中、高開度流體流經(jīng)內(nèi)、外層套筒以及籠式閥座的節(jié)流孔時(shí),流體壓力出現(xiàn)明顯下降過程。流體流經(jīng)節(jié)流元件的節(jié)流孔時(shí),能量損失,流體壓力明顯下降。小開度時(shí),內(nèi)套筒少量節(jié)流孔處于流通狀態(tài),此時(shí)流量相對較小,外套筒和籠式閥座的節(jié)流孔是按全開時(shí)降壓設(shè)計(jì)的,所以降壓效果不明顯。中、高開度時(shí)流體介質(zhì)呈現(xiàn)明顯地逐級降壓設(shè)計(jì)效果。

在流場壓力分布云圖中,可以發(fā)現(xiàn)流場均出現(xiàn)了負(fù)壓,此壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于流體常溫時(shí)飽和蒸氣壓,說明有空化現(xiàn)象產(chǎn)生。

3 調(diào)節(jié)閥流量試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證仿真分析過程中仿真條件設(shè)置是否合理,證實(shí)仿真結(jié)論的可靠性,設(shè)計(jì)了循環(huán)式并聯(lián)流量測試裝置,如圖5所示。

圖5 流量試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置的供水區(qū)由儲(chǔ)水罐、4組并聯(lián)管道泵、膨脹節(jié)和穩(wěn)壓罐組成,通過控制管道泵調(diào)試測試閥的一端的流體壓力,當(dāng)需要較高流體壓力時(shí),4組并聯(lián)的管道泵同時(shí)工作為測試閥提供水壓。測試區(qū)包括4條并聯(lián)的測試線路,每條測試不同通徑的測試閥,可對DN15至DN650的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量檢測實(shí)驗(yàn)。檢測時(shí),打開測試線路兩端的手動(dòng)球閥。以測試閥為中心,出入口端各配置一個(gè)壓力表,電動(dòng)壓力控制器,且連接一個(gè)電磁流量計(jì)和壓差變送器。檢測時(shí)利用測試閥兩側(cè)的電動(dòng)壓力控制閥和壓差變送器精確調(diào)節(jié)閥前后兩端的壓差,使其滿足調(diào)節(jié)閥流量測試標(biāo)準(zhǔn)(GB 4213—2008),通過電磁流量計(jì)讀取各個(gè)開度流經(jīng)測試閥的體積流量,每個(gè)開度測試流量10次取平均值,通過試驗(yàn)檢測到壓差分別為35,50,75 kPa的體積流量數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表2,調(diào)節(jié)閥滿足Cv=44 m3/h等百分比流量特性,流量特性與仿真數(shù)據(jù)相近。最大誤差出現(xiàn)在90%開度,僅有8.73%。說明該閥的流量特性數(shù)值仿真是可靠的,此類設(shè)置的仿真條件能滿足閥流量特性仿真的要求。

4 多級降壓調(diào)節(jié)閥空化特性分析

調(diào)節(jié)閥流場中產(chǎn)生的空化,即閥內(nèi)介質(zhì)存在液相和氣相兩種狀態(tài)。氣相體積越大空化范圍越廣泛,某一位置最大氣相體積分?jǐn)?shù)越大,說明空化程度越劇烈。利用ANSYS軟件的空化模型,可以仿真出流場中的最大氣相體積分?jǐn)?shù)和氣體體積積分。采用Schnerr-Sauer模型和采用SIMPLE算法,體積分?jǐn)?shù)采用一階迎風(fēng)格式。對調(diào)節(jié)閥在10%,40%,70%,100%開度下氣相體積進(jìn)行仿真模擬,得到流場內(nèi)氣體體積積分,即流場內(nèi)發(fā)生空化后氣相體積,將采用一級降壓和多級降壓空化氣體體積積分對比,如表3所示。

表3 氣體體積積分比較

通過數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)各開度流場中皆為氣液兩相存在,氣相存在的體積除以流場總體積就是氣體體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知,在各個(gè)開度下,采用多級降壓的籠式閥座和外套筒結(jié)構(gòu)時(shí),流場內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)明顯下降,即空化范圍明顯減小了,且開度越大抑制空化效果越明顯。70%開度產(chǎn)生空化產(chǎn)生的氣體體積分?jǐn)?shù)僅有5.13e-9 m3。

此外,為了探究流場內(nèi)產(chǎn)生空化的位置和空化程度分布。仿真得到了10%,40%,70%,100%開度下最大氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖,如圖6所示。

圖6 不同開度最大氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖6為采用多級降壓結(jié)構(gòu)前后典型開度最大氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖。最大氣體體積分?jǐn)?shù)是單位體積內(nèi)空化形成的氣體體積分?jǐn)?shù),能反應(yīng)出發(fā)生空化的位置,且氣體體積分?jǐn)?shù)的大小反應(yīng)出空化的強(qiáng)度。從圖中可以看出,空化主要發(fā)生在節(jié)流孔內(nèi),且隨著開度的增加,流場內(nèi)最大氣體體積分?jǐn)?shù)逐漸減小。采用一級降壓結(jié)構(gòu)最大氣體體積分?jǐn)?shù)分布變化不太明顯。采用多級降壓后,在10%和40%開度,最大氣體體積分?jǐn)?shù)略有減小,即空化強(qiáng)度略有減小;在70%開度,最大氣體體積分?jǐn)?shù)從0.88下降到0.56;100%開度,最大氣體體積分?jǐn)?shù)從0.83下降到0.18,此時(shí)空化強(qiáng)度明顯減小,說明多級降壓結(jié)構(gòu)對空化的范圍和強(qiáng)度均抑制明顯。

上述仿真試驗(yàn)采用的節(jié)流元件外套筒的孔徑為4 mm,孔數(shù)為90,籠式閥座的孔徑為4 mm。如何配置籠式閥座和外套筒上節(jié)流孔的大小和數(shù)量,才能使調(diào)節(jié)閥在滿足流量特性的前提下,抑制空化效果最優(yōu),更具有研究價(jià)值。

5 閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)的響應(yīng)面優(yōu)化

采用響應(yīng)面分析法可以構(gòu)建一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)目標(biāo)與多個(gè)參數(shù)變量之間的性能函數(shù)關(guān)系式。根據(jù)上節(jié)研究發(fā)現(xiàn),流場最大氣體體積分?jǐn)?shù)既能反應(yīng)空化的范圍,又能反應(yīng)空化強(qiáng)度。以該指標(biāo)作為響應(yīng)目標(biāo)參數(shù),更能反應(yīng)抑制流場空化效果。以閥工況下常用開度70%開度為例,采用Box-Benhnken響應(yīng)面法來構(gòu)建以流場最大氣體體積分?jǐn)?shù)為優(yōu)化目標(biāo)與外套筒和籠式閥座上節(jié)流孔孔徑、孔數(shù)參數(shù)間的回歸模型,以獲取閥內(nèi)件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

5.1 單因素試驗(yàn)

在不影響調(diào)節(jié)閥流量特性的前提下,外層套筒節(jié)流孔孔徑A可以在2～6 mm范圍內(nèi)選擇;節(jié)流孔數(shù)量B可以選擇均布78,84,90,96,102個(gè); 籠式閥座的節(jié)流孔由階梯孔修改為直孔,孔徑C選擇2～6 mm范圍。單因素試驗(yàn)就是研究以上3種單個(gè)因素分別對最大氣體體積分?jǐn)?shù)Y的影響。

固定籠式閥座節(jié)流孔孔徑為4 mm,外層套筒節(jié)流孔數(shù)90,分析外層套筒節(jié)流孔徑對調(diào)節(jié)閥最大氣體體積分?jǐn)?shù)的影響;固定外層套筒節(jié)流孔孔徑4 mm、籠式閥座節(jié)流孔孔徑4 mm,分析外層套筒節(jié)流孔孔數(shù)對調(diào)節(jié)閥最大氣體體積分?jǐn)?shù)的影響;固定外層套筒節(jié)流孔孔徑4 mm、外層套筒節(jié)流孔孔數(shù)90,分析籠式閥座節(jié)流孔孔徑對調(diào)節(jié)閥最大氣體體積分?jǐn)?shù)的影響。得到單因素對最大氣體體積分?jǐn)?shù)的影響,如圖7所示。

圖7 單因素對最大氣體體積分?jǐn)?shù)的影響

根據(jù)圖7a可知,當(dāng)外層套筒節(jié)流孔孔徑為3 mm時(shí),最大氣體體積分?jǐn)?shù)最小為0.35,為最優(yōu)值點(diǎn)。由圖7b可知,當(dāng)外層套筒節(jié)流孔孔數(shù)為84時(shí),最大氣體體積分?jǐn)?shù)最小為0.48,為最優(yōu)值點(diǎn)。根據(jù)圖7c可知,當(dāng)籠式閥座節(jié)流孔孔徑為3 mm時(shí),最大氣體體積分?jǐn)?shù)為0.40,為最優(yōu)值點(diǎn)。

5.2 響應(yīng)面法優(yōu)化

1) 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

在對單因素仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)原理,設(shè)計(jì)3因素3水平響應(yīng)面試驗(yàn)。設(shè)計(jì)優(yōu)化因子編碼及水平,如表4所示。

表4 響應(yīng)面分析因素和水平

以最大氣體體積分?jǐn)?shù)Y為響應(yīng)值,以外層套筒節(jié)流孔孔徑A,節(jié)流孔數(shù)量B,籠式閥座的節(jié)流孔孔徑C為自變量進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)計(jì)方案及結(jié)果如表5所示。

表5 響應(yīng)面仿真試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果

2) 響應(yīng)面回歸模型的方差分析

經(jīng)過回歸擬合后,最終得到的預(yù)測回歸方程為:

Y=0.1867+0.0213A-0.0112B+0.0200C+

0.0200AB+0.0375AC+0.0125BC+

0.1292A2+0.0442B2+0.0967C2

(5)

方差分析及回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 回歸方程方差分析

根據(jù)F值和P值檢驗(yàn),影響閥內(nèi)最大氣體體積分?jǐn)?shù)的主要因素次序?yàn)橥鈱犹淄补?jié)流孔孔徑A大于籠式閥座節(jié)流孔孔徑C大于外層套筒節(jié)流孔孔數(shù)B。根據(jù)Design-Expert 13軟件對試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治?得到外層套筒節(jié)流孔孔徑A、外層套筒節(jié)流孔孔數(shù)B、籠式閥座節(jié)流孔孔徑C三個(gè)因素交互作用對閥內(nèi)最大氣體體積分?jǐn)?shù)影響如圖8所示。

圖8 響應(yīng)面與等高線

根據(jù)圖8和表6可知,外層套筒節(jié)流孔孔徑和籠式閥座節(jié)流孔孔徑的交互作用最強(qiáng),外層套筒節(jié)流孔孔數(shù)和籠式閥座節(jié)流孔孔徑的交互作用最弱。

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)處理,優(yōu)化當(dāng)外層套筒節(jié)流孔孔徑為2.9 mm,外層套筒節(jié)流孔孔數(shù)為85,籠式閥座節(jié)流孔孔徑2.9 mm時(shí),最大氣體體積分?jǐn)?shù)最小為0.18,由于工藝條件以及加工難度限制,設(shè)計(jì)外層套筒節(jié)流孔孔徑為3 mm,外層套筒節(jié)流孔孔數(shù)為84,籠式閥座節(jié)流孔孔徑3時(shí),最大氣體體積分?jǐn)?shù)為0.20,在此條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn),得到平均值為0.19,與預(yù)測值僅差0.01,證明該模型的有效性。所以,采用以上結(jié)構(gòu)參數(shù)的節(jié)流元件,能最大化的抑制流場內(nèi)的空化。

6 結(jié)論

(1) 在不影響各個(gè)開度流量系數(shù)的前提下,添加外套筒和籠式閥座兩個(gè)閥內(nèi)件,形成流場逐級降壓流態(tài),各開度流場內(nèi)空化后產(chǎn)生的氣體體積明顯減小,在70%開度,最大氣體體積明顯下降,最大氣體體積分?jǐn)?shù)從0.88下降到0.56。根據(jù)仿真得到的最大氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖,空化發(fā)生在節(jié)流孔的附近。隨著開度增加,采用多級降壓結(jié)構(gòu)流場內(nèi)的最大氣體體積分?jǐn)?shù)明顯下降。

(2) 以流場中能反應(yīng)空化強(qiáng)度的最大氣體體積分?jǐn)?shù)為響應(yīng)值,通過Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化節(jié)流元件的參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)外套筒節(jié)流孔孔徑對流場空化影響最大,外套筒節(jié)流孔的孔數(shù)對流場空化影響最小。優(yōu)化設(shè)計(jì)外層套筒節(jié)流孔孔徑為3 mm,外層套筒節(jié)流孔孔數(shù)為84,籠式閥座節(jié)流孔孔徑3時(shí),在70%開度,流場內(nèi)最大氣體體積分?jǐn)?shù)僅為0.19,此時(shí)空化強(qiáng)度最小,抑制空化效果最好。