抑制調節閥流場空化的響應面結構優化

隋 帆,徐東濤,彭思達,路慶發,王成龍,孟祥瑞

(1.遼寧科技大學 機械工程與自動化學院,遼寧 鞍山 114051;2.鞍鋼集團礦業有限公司 東鞍山燒結廠,遼寧 鞍山 114041)

引言

調節閥是控制系統中的重要部件,可以控制流體流量、節流、穩壓等[1-2]。當介質為液體時,在高壓差、高流速的工況下,流場內壓力急劇下降到該液體飽和蒸氣壓時會出現空化現象,液體氣化閃蒸成氣泡,壓力恢復后空化氣泡破裂,從而形成空蝕和空化振動,當空化振動的主頻率與調節閥的固有頻率相等或相近時,將會引發流致共振。這種共振引起閥內件產生位移和大變形,形成巨大噪聲,嚴重影響生產線的人員安全與產品質量[3-5]。

國內外一些學者對于調節閥的空化抑制進行了研究。李樹勛等[6]設計了多層套筒閥,研究其在高溫、高壓降條件下產生的空化現象及其引起的氣蝕破壞問題,通過閥內件結構優化,影響流場的氣液兩相體積分布。王銀等[7]改進了液壓錐閥的錐角結構,分析了典型開度下錐閥流場空化程度,總結出抑制空化的有效手段。JIN Z J等[8]分析了調節閥不同閥芯形狀對流場空化程度和強度的影響,從而實現優化閥內件結構。HE J等[9]基于熵產生理論,對調節閥流場的流動特性進行研究,分析了氣蝕對系統熵產生的影響,從而實現通過穩態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理進行研究,分析了不同閥芯數量對空化強度、形成位置等的影響。KAPRANOVA A B等[11]基于能量法對流場內空化氣泡尺寸變化進行研究,分析了空化振動的強度。QIAN J 等[12]研究了套筒型控制閥的空化特性,仿真分析了節流窗口數量以及流體流動方式對流場空化的影響。

近年來,有關調節閥閥內件結構優化的算法也有了一些進展。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構進行優化設計,有效地解決閥芯與閥套之間的配合問題,得出了閥口關鍵位置的最優壓力緩沖效果。李衛民等[14]以大流量換向閥為研究對象,利用響應面法結合多目標遺傳算法,以泄漏量和卡緊力為目標參數,對閥芯的均壓槽尺寸和分布進行優化。張勝等[15]利用遺傳算法對滑閥的流道進行結構優化,使閥芯在開啟過程中所受液動力明顯減小。

根據空化的形成機理,設計多級降壓調節閥,通過增加外層套筒和籠式閥座,實現逐級降壓,抑制空化現象的發生。在保證流量特性的前提下,如何設計多孔式的外層套筒和籠式閥座的開孔數量和孔徑,才能更有效地抑制空化,一直是設計高品質調節閥的一個難題。

通過對多級降壓調節閥的閥內件進行結構優化,分析其在不同外層套筒和籠式閥座節流孔孔徑、孔數的配置條件下的流場氣體體積分數。通過Box-Behnken響應面法分析多個參數,及其交互作用對流場氣體體積分數的影響,構建流場最大氣體體積分數與外套筒節流孔孔徑、孔數以及籠式閥座節流孔孔徑3個因素的回歸方程,最大限度地抑制流場內的空化現象。

1 多級降壓調節閥結構設計

多級降壓調節閥的結構如圖1所示,由閥桿、閥蓋、平衡缸、內套筒、外套筒、閥塞、籠式閥座和閥體等零件組成。閥桿連接著閥塞,在執行機構的帶動下,在行程范圍內上下移動,控制閥的流量。

圖1 多級降壓調節閥的結構

內外套筒和籠式閥座上設置多個節流孔,開孔直徑、孔數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。當流體流過節流元件時,流通面積減小,流體流速升高,壓力降低,當部分流體壓力降低到當前溫度的飽和蒸氣壓時,就會有部分液體閃蒸成氣泡,壓力恢復后,氣泡破裂,產生空蝕。設計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、空化現象產生。

調節閥的介質為常溫水,根據出入口的壓力,按照HG T20570標準設計降壓等級:

(1)

式中,n——降壓等級

p1——入口壓力

p2——出口壓力

介質經過節流元件,各級壓降量需要按幾何級數遞減的降壓規律進行設計,總壓降滿足:

(2)

將調節閥的總壓力按何級數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——節流元件相對流量系數

γ——流體相對密度(與4 ℃時水的密度之比)

將上述孔徑進行等值分配,可以設計出節流元件上開孔的數量和孔徑。但以上設計僅能滿足流場壓力的逐級下降,要滿足最優抑制流場空化,仍需要在此基礎上進一步優化開孔的數量和孔徑。

2 調節閥的流動特性仿真分析

2.1 仿真模型的建立

通過SolidWorks 3D建模軟件建立調節閥3D模型,其通徑為80 mm,閥塞直徑為65 mm。將調節閥3D模型導入到ANSYS Workbench中進行反向建模,生成與各開度對應的流體模型,根據閥門的對稱性,為了提高計算效率可采用半模型仿真。

2.2 網格的無關性驗證

使用Fluent Meshing對流體模型進行網格劃分,采用多面體網格,并對局部進行網格加密處理,同時進行網格無關性驗證。網格無關性驗證以100%開度穩態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。設置調節閥入口和出口壓力分別為10 MPa 和2 MPa,仿真數據如表1所示。

表1 流體網格無關性檢驗數據

根據表格數據,當網格單元數從896278～1036619時,仿真得到調節閥出口處的平均流速和出口體積流量數據趨向穩定,進一步細化有限元網格對仿真精度影響不大,同時考慮到計算時間、精度以及計算時殘差收斂程度等,選用896278網格單元數作為最終網格模型,可以滿足流體有限元網格無關性要求。圖2為網格模型和局部網格細化。

圖2 流體有限元網格

2.3 流量數值仿真分析

節流元件外套筒的孔徑為4 mm,孔數為90,籠式閥座的孔徑為4 mm。根據實際工作條件,選取常溫液態水作為流體介質,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,流通方式采用底進側出,調節閥的內套筒開孔按照Cv=44 m3/h 等百分比流量特性設計。仿真計算得到穩態下各個開度的出口體積流量Q,換算成流量系數Cv:

(4)

式中,Kv——流通能力,m3/h

ρ——介質密度,g/cm3

各開度x下經過調節閥的體積流量仿真值與理論值對比如圖3所示。

圖3 仿真流量系數與理論數據對比

從圖3中可以看出,仿真得到的調節閥流量特性較好地符合等百分比流量特性,流量系數Cv=42.5 m3/h。10%,50%,70%,80%,100%開度流量系數仿真值小于理論值,在100%開度時誤差最大為3.4%,符合設計要求。

2.4 調節閥壓力場仿真分析

以穩態場作為瞬態場的初始值;設置時間步長0.00025 s,步數8000,仿真分析2 s流場內部的流動特性。對10%,40%,70%,100% 4種典型開度,2 s時刻流場壓力進行數值模擬。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、高開度流體流經內、外層套筒以及籠式閥座的節流孔時,流體壓力出現明顯下降過程。流體流經節流元件的節流孔時,能量損失,流體壓力明顯下降。小開度時,內套筒少量節流孔處于流通狀態,此時流量相對較小,外套筒和籠式閥座的節流孔是按全開時降壓設計的,所以降壓效果不明顯。中、高開度時流體介質呈現明顯地逐級降壓設計效果。

在流場壓力分布云圖中,可以發現流場均出現了負壓,此壓力遠遠低于流體常溫時飽和蒸氣壓,說明有空化現象產生。

3 調節閥流量試驗研究

為了驗證仿真分析過程中仿真條件設置是否合理,證實仿真結論的可靠性,設計了循環式并聯流量測試裝置,如圖5所示。

圖5 流量試驗裝置

試驗裝置的供水區由儲水罐、4組并聯管道泵、膨脹節和穩壓罐組成,通過控制管道泵調試測試閥的一端的流體壓力,當需要較高流體壓力時,4組并聯的管道泵同時工作為測試閥提供水壓。測試區包括4條并聯的測試線路,每條測試不同通徑的測試閥,可對DN15至DN650的調節閥進行流量檢測實驗。檢測時,打開測試線路兩端的手動球閥。以測試閥為中心,出入口端各配置一個壓力表,電動壓力控制器,且連接一個電磁流量計和壓差變送器。檢測時利用測試閥兩側的電動壓力控制閥和壓差變送器精確調節閥前后兩端的壓差,使其滿足調節閥流量測試標準(GB 4213—2008),通過電磁流量計讀取各個開度流經測試閥的體積流量,每個開度測試流量10次取平均值,通過試驗檢測到壓差分別為35,50,75 kPa的體積流量數據,如表2所示。

表2 流量試驗數據

根據表2,調節閥滿足Cv=44 m3/h等百分比流量特性,流量特性與仿真數據相近。最大誤差出現在90%開度,僅有8.73%。說明該閥的流量特性數值仿真是可靠的,此類設置的仿真條件能滿足閥流量特性仿真的要求。

4 多級降壓調節閥空化特性分析

調節閥流場中產生的空化,即閥內介質存在液相和氣相兩種狀態。氣相體積越大空化范圍越廣泛,某一位置最大氣相體積分數越大,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數和氣體體積積分。采用Schnerr-Sauer模型和采用SIMPLE算法,體積分數采用一階迎風格式。對調節閥在10%,40%,70%,100%開度下氣相體積進行仿真模擬,得到流場內氣體體積積分,即流場內發生空化后氣相體積,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

通過數值仿真發現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數。根據表3數據可知,在各個開度下,采用多級降壓的籠式閥座和外套筒結構時,流場內氣體體積分數明顯下降,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%開度產生空化產生的氣體體積分數僅有5.13e-9 m3。

此外,為了探究流場內產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數分布云圖,如圖6所示。

圖6 不同開度最大氣體體積分數分布云圖

圖6為采用多級降壓結構前后典型開度最大氣體體積分數分布云圖。最大氣體體積分數是單位體積內空化形成的氣體體積分數,能反應出發生空化的位置,且氣體體積分數的大小反應出空化的強度。從圖中可以看出,空化主要發生在節流孔內,且隨著開度的增加,流場內最大氣體體積分數逐漸減小。采用一級降壓結構最大氣體體積分數分布變化不太明顯。采用多級降壓后,在10%和40%開度,最大氣體體積分數略有減小,即空化強度略有減小;在70%開度,最大氣體體積分數從0.88下降到0.56;100%開度,最大氣體體積分數從0.83下降到0.18,此時空化強度明顯減小,說明多級降壓結構對空化的范圍和強度均抑制明顯。

上述仿真試驗采用的節流元件外套筒的孔徑為4 mm,孔數為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流孔的大小和數量,才能使調節閥在滿足流量特性的前提下,抑制空化效果最優,更具有研究價值。

5 閥內件結構的響應面優化

采用響應面分析法可以構建一個或多個響應目標與多個參數變量之間的性能函數關系式。根據上節研究發現,流場最大氣體體積分數既能反應空化的范圍,又能反應空化強度。以該指標作為響應目標參數,更能反應抑制流場空化效果。以閥工況下常用開度70%開度為例,采用Box-Benhnken響應面法來構建以流場最大氣體體積分數為優化目標與外套筒和籠式閥座上節流孔孔徑、孔數參數間的回歸模型,以獲取閥內件的最優結構參數組合。

5.1 單因素試驗

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

固定籠式閥座節流孔孔徑為4 mm,外層套筒節流孔數90,分析外層套筒節流孔徑對調節閥最大氣體體積分數的影響;固定外層套筒節流孔孔徑4 mm、籠式閥座節流孔孔徑4 mm,分析外層套筒節流孔孔數對調節閥最大氣體體積分數的影響;固定外層套筒節流孔孔徑4 mm、外層套筒節流孔孔數90,分析籠式閥座節流孔孔徑對調節閥最大氣體體積分數的影響。得到單因素對最大氣體體積分數的影響,如圖7所示。

圖7 單因素對最大氣體體積分數的影響

根據圖7a可知,當外層套筒節流孔孔徑為3 mm時,最大氣體體積分數最小為0.35,為最優值點。由圖7b可知,當外層套筒節流孔孔數為84時,最大氣體體積分數最小為0.48,為最優值點。根據圖7c可知,當籠式閥座節流孔孔徑為3 mm時,最大氣體體積分數為0.40,為最優值點。

5.2 響應面法優化

1) 響應面試驗設計與結果

在對單因素仿真試驗結果進行分析的基礎上,根據Box-Behnken試驗原理,設計3因素3水平響應面試驗。設計優化因子編碼及水平,如表4所示。

表4 響應面分析因素和水平

以最大氣體體積分數Y為響應值,以外層套筒節流孔孔徑A,節流孔數量B,籠式閥座的節流孔孔徑C為自變量進行響應面優化仿真試驗。試驗計方案及結果如表5所示。

表5 響應面仿真試驗方案設計及結果

2) 響應面回歸模型的方差分析

經過回歸擬合后,最終得到的預測回歸方程為:

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顯著性檢驗結果見表6。

表6 回歸方程方差分析

根據F值和P值檢驗,影響閥內最大氣體體積分數的主要因素次序為外層套筒節流孔孔徑A大于籠式閥座節流孔孔徑C大于外層套筒節流孔孔數B。根據Design-Expert 13軟件對試驗模型分析,得到外層套筒節流孔孔徑A、外層套筒節流孔孔數B、籠式閥座節流孔孔徑C三個因素交互作用對閥內最大氣體體積分數影響如圖8所示。

圖8 響應面與等高線

根據圖8和表6可知,外層套筒節流孔孔徑和籠式閥座節流孔孔徑的交互作用最強,外層套筒節流孔孔數和籠式閥座節流孔孔徑的交互作用最弱。

根據試驗模型數據處理,優化當外層套筒節流孔孔徑為2.9 mm,外層套筒節流孔孔數為85,籠式閥座節流孔孔徑2.9 mm時,最大氣體體積分數最小為0.18,由于工藝條件以及加工難度限制,設計外層套筒節流孔孔徑為3 mm,外層套筒節流孔孔數為84,籠式閥座節流孔孔徑3時,最大氣體體積分數為0.20,在此條件下進行3次平行試驗,得到平均值為0.19,與預測值僅差0.01,證明該模型的有效性。所以,采用以上結構參數的節流元件,能最大化的抑制流場內的空化。

6 結論

(1) 在不影響各個開度流量系數的前提下,添加外套筒和籠式閥座兩個閥內件,形成流場逐級降壓流態,各開度流場內空化后產生的氣體體積明顯減小,在70%開度,最大氣體體積明顯下降,最大氣體體積分數從0.88下降到0.56。根據仿真得到的最大氣體體積分數分布云圖,空化發生在節流孔的附近。隨著開度增加,采用多級降壓結構流場內的最大氣體體積分數明顯下降。

(2) 以流場中能反應空化強度的最大氣體體積分數為響應值,通過Box-Behnken響應面法優化節流元件的參數。研究發現外套筒節流孔孔徑對流場空化影響最大,外套筒節流孔的孔數對流場空化影響最小。優化設計外層套筒節流孔孔徑為3 mm,外層套筒節流孔孔數為84,籠式閥座節流孔孔徑3時,在70%開度,流場內最大氣體體積分數僅為0.19,此時空化強度最小,抑制空化效果最好。