旋流式套筒閥結構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，將閥內直流式套筒設計為旋流式套筒。采用Fluent數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，并對比閥內空化現象。結果表明：給定壓差條件為0.8 MPa時，流體通過直流式套筒閥后，在出口段管壁處產生空化現象；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象，且旋流式套筒閥內產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零件和管道壁面的破壞。

關鍵詞 套筒閥 旋流式 數值模擬 結構改進 空化

中圖分類號 TQ055.8+1" "文獻標志碼 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，從事閥門的設計與密封研究，zhangxhdm@163.com。

引用本文：張希恒，衛鈞煥，吳佳麗，等.旋流式套筒閥結構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，我國引調水工程數量逐漸增加［1］，套筒閥作為重要控制元件被廣泛應用其中，主要用于管路系統的流量、壓力等的調節。由于套筒閥流道結構復雜，流體流過套筒后會在節流槽和管壁處發生空化現象，這將會使閥內零件和管道產生嚴重的氣蝕和振動，長此以往就會導致閥門工作效率和使用壽命大幅降低［2］。

隨著國內外學者對套筒閥流場空化現象的研究發現，李燕輝等基于Fluent計算模擬軟件對大口徑活塞套筒式調流調壓閥穩態和瞬態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流調壓閥空化流動特性，基于模擬分析了大、中、小開度下在節流附近區域處產生空化的機制［4］。林騰蛟等對船用二級調壓閥建立流域瞬態仿真模型，得到調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］。鄧君對活塞式調節閥的引流結構進行優化和仿真數值計算，優化后的迷宮式多級降壓結構可以有效減少漩渦、紊流的產生，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節閥的空化性能進行了試驗和數值模擬，并且利用數值模擬方法對不同進口條件下的空化性能進行了預測［7］。李威等結合數值仿真和實驗，研究分析了活塞式調節閥阻塞流是由于閥內節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現，套筒閥結構以直流式套筒模型居多，在工作時，易在套筒縮流處、管道內壁面形成空化損傷。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］，以達到降低閥內空化程度的目標。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象，為降低套筒閥內空化提供優化參考。

1 仿真預處理

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為套筒閥套筒結構，圖2a為直流式套筒；為了防止管道壁面產生氣蝕，將直流式套筒設計為旋流式套筒，其套筒節流槽口與外表面設置30°夾角，設計后的旋流式套筒結構如圖2b所示，流體沿著夾角流出節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 網格劃分及工況參數

使用ANSYS Workbench提供的DM（Design Modeler）模塊反向建模，抽取內部流道區域，套筒閥結構內部流道區域如圖3所示。依據國家標準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，并對模型進行適當簡化處理使數值模擬更加接近實際工況。使用預處理軟件ICEM CFD對閥內流道模型進行網格劃分，以進出口管道為四面體和閥體為非結構六面體網格相結合的劃分技術。為確保數值模擬結果的準確性，對內部套筒結構進行局部網格加密［11］，流體區域網格如圖4所示。

現以直流式套筒閥的50%相對開度為計算模型，生成4種類型的網格數量，以此進行網格無關性驗證。由表1驗證結果可得，選用類型三的網格數量進行模擬計算最為恰當。

模擬計算設置工作流體主相為水，次相為水蒸氣，物性參數列于表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，近壁面區域采用標準壁面函數，以提高空化模擬的精度。

在幾何模型的管道兩端設置壓力邊界，進口壓力為0.8 MPa，出口壓力為0 MPa。模擬穩態流場時采用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格式進行流場計算求解，設置殘差精度為10-5，對入口流量和出口流量進行檢測，當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

考慮介質相變、不凝結氣體、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空化模型更能體現出湍流脈動壓力對蒸汽體積分數與氣泡數影響，計算結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——流體在當前溫度下的飽和蒸汽壓；

R——生成空泡半徑；

R——蒸汽產生速率；

R——蒸汽凝結速率；

α——空泡相體積分數；

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。

2.3 渦-流函數

在旋流式套筒閥中，流體為旋流運動，且質量力忽略不計。采用柱坐標系統［14］，在該坐標系下，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：

+-+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；

Ω——渦矢量；

下標 r、z、θ——柱坐標系。

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%開度的閥內流體壓力、渦流湍能、空化區域進行對比分析。

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，在兩種結構套筒閥進口段管道內壓力都為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，壓降區域逐漸減小；圖5b是旋流式套筒調流閥的壓力云圖，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，坐標原點設在套筒中心。以直流式套筒閥30%開度壓力云圖中坐標軸所示（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；在靠近管道壁面區域的0.6～0.8 m處為負壓區，最低壓力為-0.075 MPa，該區域流體壓力低于飽和蒸氣壓而易形成空化發生汽蝕破壞。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，最低壓力-0.093 MPa，該區域為套筒中心處，易形成空化現象，由于該區域遠離管道壁面，不會發生汽蝕破壞；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，不會產生空化。

由此看出，旋流式套筒結構會影響管道內部流體壓降區域位置，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生剪切效應，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域形成的渦流會產生漩渦型空化，直接作用于管道壁面會導致較為強烈的振動從而發生汽蝕水擊。由圖7b可以看到，流體通過旋流式套筒后，以30°的角度從節流槽旋切流出，其靜壓力大部分轉化成介質的旋轉運動，然后以螺旋狀繼續向出口段下游流動，在節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區域處對沖出流發生碰撞，導致湍動能變化劇烈。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，節流槽出口處湍動能越小。結合圖8a、b可得，在節流槽和管壁附近，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 空化區域

圖9為直流式和旋流式套筒閥的閥內氣相體積分數云圖。由圖9可以看到，隨著開度的增大，空化區域逐漸減小。在30%開度時，直流式套筒閥形成空化區域主要集中在出口段管壁處，空化區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域遠離管道壁面，由節流槽處轉移至閥腔和管道中心處，產生的空化振動經過周圍介質的吸收和消耗，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域都在節流槽出口處形成，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基本無空化發生。圖10為兩種套筒結構閥內氣相體積分數曲線圖，在10%～50%開啟過程中，兩者閥內產生的氣相分數呈非線性減小，直流式套筒閥在出口段管壁處產生氣相體積分數最大為5.10%，旋流式套筒閥在流道中心處產生的氣相體積分數最大為3.86%，在50%～100%開度下，兩種套筒結構下產生的氣相分數較小可忽略不計，結合圖9、10可以得到，旋流式套筒閥產生的氣相體積分數小于直流式套筒閥的，在管道中心形成空化區域，從而可以降低氣蝕對套筒閥及管壁的材料損傷。

空化數是空化研究和應用中最重要的參數，可以用來度量流體運動中空化劇烈程度，故采用空化數δ來判斷直流式和旋流式套筒閥的空化強度，由標準規范ISA?RP 75.23—1995可得，空化數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曲線。由圖11得到，兩種套筒閥計算得到的空化數都呈非線性增大，隨著閥門開度變大，直流式套筒閥的空化數由0.998增大至1.012，旋流式套筒閥的空化數由1.001增大至1.014，旋流式套筒調流閥計算得到的空化數大于直流式套筒閥?？栈瘮翟叫。栈瘡姸仍酱?，對閥門造成的汽蝕損傷也就越大。對比得到旋流式套筒調流閥內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 結論

4.1 旋流式套筒閥閥內壓降區域集中在管道中心，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 旋流式套筒閥閥內流體通過套筒后呈螺旋狀向下游流動；在套筒節流槽、管壁附近，旋流式套筒閥產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均小于直流式套筒調流閥。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