基于動網格的調節閥空化流場數值模擬研究

張希恒 王 宇 張孫力

（蘭州理工大學石油化工學院）

調節閥作為工業儀表的重要組成部分，在各個領域得到了廣泛應用。 空化是一種當流體通過閥節流時，從縮流截面的靜壓降低到不大于流體在閥入口溫度下的飽和蒸汽壓時，部分液體汽化形成氣泡，氣泡潰裂恢復為液相的現象［1］。調節閥在調節流量過程中，氣泡常在閥芯周圍的近壁面潰裂，造成閥芯的剝蝕和振動，嚴重時會導致閥門調節失效。 因此，針對調節閥空化現象的研究具有重要意義。 張含等對高加疏水閥空化流場進行了數值模擬，利用多級節流降壓理論優化了結構，達到了抑制空化的目的［2］。李貝貝等通過數值模擬方法對節流閥不同開度的油液空化流場進行了研究［3］。 王世鵬等通過對復合式調節閥空化現象的研究，發現提高背壓可有效抑制空化現象［4］。 Jin Z J等通過對閥體進出口部件的彎曲半徑、偏離距離和圓弧曲率參數的研究，發現空化強度隨彎曲半徑、偏離距離和進出口零件相關的圓弧曲率的增加而降低［5］。 彭龑等對調節閥內部進行了優化，使得阻力變小，急劇壓差變化減弱，流量系數Kv總體增大，水力損失減小，在高壓差下結構的抗空化性能更好［6］。 張斌等利用CFD動網格技術對雙作用葉片泵流場動態特性進行了分析，仿真結果符合實際情況［7］。

目前，對閥門空化現象的研究主要集中在穩態流場空化規律和優化設計方面，而對于調節閥動態空化過程還需進一步研究。 筆者以單座調節閥為研究對象， 利用用戶自定義函數（User-Defined Function，UDF） 對閥瓣的運動進行約束，通過CFD對其內部流體的動態特性和空化現象進行研究，為調節閥連續關閥過程的空化特性與結構優化提供參考。

1 研究對象

筆者以某DN50mm單座調節閥為研究對象，采用Solidworks軟件建立三維模型，為使模擬具有更好的收斂性，對模型進行簡化處理。 閥門兩端出口采用加長管道，以使模擬結果更加接近真實情況，再利用DM模塊抽取內部流道區域，得到調節閥簡化模型與內部流道如圖1所示。

圖1 調節閥簡化模型與內部流道

用Fluent前處理軟件ICEM CFD、結合混合網格劃分技術對流體域進行網格劃分［8］，并根據流動特點對流道閥口位置和閥芯周圍空化區域進行加密，如圖2所示。 通過網格無關性驗證和步長獨立性驗證，選用網格數量為937 414的模型進行模擬計算。

圖2 調節閥流道網格劃分

2 計算模型

2.1 空化模型

通過對比分析Kunz空化模型、Zwart-Gerber-Belamri空 化 模 型 和Schnerr-Sauer空 化 模 型［4］，發現Schnerr-Sauer空化模型可以較好地體現湍流脈動壓力對氣化壓力的影響［9］，因此筆者選用Schnerr-Sauer空化模型建立控制方程。

當pv≥p時：

式中 p——某溫度下的絕對壓力；

pv——飽和蒸汽壓；

RB——空泡半徑；

Rc——凝結相生成率；

Re——蒸發相生成率；

αv——蒸汽相體積分數；

ρ——混合相密度；

ρl——液體密度；

ρv——氣體密度。

2.2 動網格計算模型

對于通量φ，在任一控制體V內，其邊界是運動的，則守恒方程的通式［10］為：

?V——控制體V的邊界；

Γ——擴散系數。

2.3 參數設置

模擬計算設置工作流體為水和水蒸氣，物性參數見表1。 選用Mixture計算模型模擬氣液兩相流動；湍流模型選用Realizable k-ε湍流模型［9］；近壁面采用標準壁面函數。

表1 工作流體物性參數

在管道兩端設置壓力邊界， 進口壓力為2.2MPa，出口壓力為0.8MPa。 首先進行穩態計算，再以穩態收斂的計算結果為初值進行瞬態計算。關閥時間設置為0.500s，時間步長6.25×10-5s，通過UDF來驅動閥芯以50mm/s的速度關閉閥門。

3 計算結果與分析

3.1 壓力場與速度場

圖3、4為不同關閥時刻的壓力和速度矢量分布云圖。 從圖3、4可以看出，流體以較高的速度通過閥芯邊緣與閥口內壁之間的間隙，表現為射流現象。 射流在閥口下游形成一對旋向相反、大小近似相等的漩渦，且在閥口處和閥口下游流道中心形成高流速區域，高流速區域的大小和最大流速均隨著閥芯的下降呈先增大后減小的趨勢。 在閥全開時，由于射流的影響，閥口下游靠近閥體壁面處形成漩渦A，造成部分流體回流，帶來負壓區域a。 在t=0.100s時，閥口下游的射流速度減小，漩渦A強度減小，壓力升高，負壓區域a消失。 閥芯邊緣與閥口內壁之間的間隙流速增大，最大流速為59.42m/s。 由于間隙兩側漩渦的影響，在閥口處形成了新的負壓區域b。 在t=0.200s時，閥芯邊緣與閥口內壁之間的間隙流速達到最大， 其值為62.30m/s。 間隙內負壓區域b進一步擴大。 t在0.200～0.500s時，通流截面積減小，在液體粘性阻力的共同作用下使得最大流速降低，高流速區域減小且主要集中在閥芯邊緣與閥口內壁之間的間隙內，間隙兩側形成的漩渦強度以及間隙內的負壓區均呈先增大后減小的趨勢，導致該處流體 流速變化快，形成負壓區，易產生空化噪聲。

圖3 不同關閥時刻壓力分布云圖

圖4 不同關閥時刻速度矢量分布云圖

3.2 空化區域

圖5為不同關閥時刻的氣相體積云圖。 從圖5可以看出，在閥全開時，閥座下游A處發生空化，且A處空化程度相對較強；隨著閥芯的下降，在t=0.100s時，閥座下游空化區域A消失，在閥座入口區域緊貼閥座表面出現新的空化區域B， 且空化區域的氣相體積減小， 此時空化程度弱于閥門全開時。 t在0.200～0.475s時，空化區域B進一步擴大， 呈對稱分布且在閥座入口兩側及閥芯邊緣與閥口內壁之間的間隙內，隨著開度的減小，空化區域的氣相體積逐漸增加， 空化程度達到最大。

圖5 不同關閥時刻氣相體積云圖

3.3 動態與穩態空化結果對比

不同閥芯關閉速度下含氣率與開度的關系曲線如圖6所示。 從圖6可以看出，當閥芯以一定的速度關閉時， 隨著閥芯的下降 （開度的減小）， 閥內的含氣率總體上呈先增大后減小的趨勢。 對比穩態空化模擬， 兩者在相同的關閥速度下開度與閥內含氣率的變化趨勢基本一致。

圖6 不同閥芯關閉速度下含氣率與開度的關系曲線

圖7為不同閥芯關閉速度下閥芯軸向力與開度的關系曲線。 從圖7可以看出，閥芯關閉速度對閥芯軸向力的影響較小。 當開度大于21mm時，閥芯軸向力與開度成線性關系； 當開度小于21mm時，由于介質空化作用使得閥芯受力不均，軸向力出現非線性波動。 對比穩態空化模擬，兩者在相同的關閉速度下開度與閥芯軸向力的變化趨勢基本一致。

圖7 不同閥芯關閉速度下閥芯軸向力與開度的關系曲線

4 結論

4.1 關閥時閥芯邊緣與閥口內壁之間的間隙易發生空化。 此處空化易破壞閥芯，造成閥門調節功能失效，從而危害工業的安全生產。

4.2 隨著閥開度減小， 通過閥口處的流體速度、閥芯邊緣與閥口內壁之間的負壓區以及閥內的含氣率都呈先增大后減小的趨勢。

4.3 不同關閥速度下含氣率和閥芯軸向力隨開度的變化趨勢基本一致，表明在一定范圍內關閥速度對閥門空化基本無影響。

4.4 對比動態和穩態空化過程，在相同關閥速度下含氣率和閥芯軸向力隨開度的變化趨勢一致，表明利用動網格模擬關閥的動態過程具有可行性。 該模擬方法可為研究其他運動流場空化特性提供一定的參考。