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摘 要：基于液控调节阀的结构特性和流体物性参数，以开度40%为例建立数学模型，并采用Mixture模型和DPM（DiscretePhase Model）模型，对液控调节阀的空化和冲蚀现象进行数值模拟并分析。研究结果表明：当入口压力由4.5MPa提高到5.5MPa时，阀芯与阀座之间的窄通道内流速变化剧烈，阀芯顶部抛物线段压力下降的区域增大，形成对称小椭圆形空化区域并脱离整个空化区域。
关键字：液控调节阀 空化 冲蚀 数理模型 数值模拟
以煤炭为原料的煤直接液化工程是我国能源战略的重要组成部分，其中液控调节阀的运行工况苛刻、操作频繁、含固介质成分复杂，在空化和冲蚀的共同作用下，流动腐蚀破坏严重，严重制约装置的长周期安全运行。某厂使用的黑水阀在装置停车检修期间被发现阀体磨损，其现场介质为含有固体颗粒的黑水，通过数值计算的方法获得相关流场信息，对实现阀门的失效分析和优化是非常必要的。
随着计算流体动力学（Computational Fluid Dy－namics，CFD）方法的快速发展，开展实验研究并结合数值模拟技术已成为研究各种阀门特性的重要手段。沈洋等利用CFD软件模拟仿真某蝶阀随阀板开度连续变化的流场，研究阀板处于不同开度时的速度场和压力场分布规律，并得到阀板气动力矩特性曲线；张德生等建立先导式电磁阀模型，结合节流喷嘴和先导阀的压差－流量试验数据对开启压力、工作压差及阀芯位移等进行模拟；Gao等采用CFD方法分析液压锥阀的开度、半锥角、进口速度等因素对阀口气穴流动的影响；Paoluzzi等采用试验方法研究分析液压溢流阀内部流场气穴与性能之间的关系，提出使用CFD仿真方法对液压元件进行结构改进；偶国富等针对高压差调节阀的冲蚀磨损问题，使用CFD计算典型开度下的速度、压力、相分率和磨损率等参数。
本文基于液控调节阀的实际操作条件和工艺介质，对液控调节阀的空化特性进行数值模拟，并在此基础上添加DPM模型进行3种入口固体颗粒质量浓度及5种粒径大小对阀芯顶部抛物线段磨损率的影响分析，研究成果可为同类阀门的空化和冲蚀预测提供借鉴。
1 计算模型
在工程实际中，该液控调节阀运行初期的开度为40%～50%。在颗粒的冲蚀作用下，阀芯的圆弧段和抛物线段受损严重，阀芯头部的基体材料不断流失，流道随之改变，导致流阻减小，黑水的过流流量增加。因此，随着运行时间的增加，通过减少阀芯的开度（最低至15%～20%）来调节流量，控制下游分离器的液位。由此可知，研究调节阀在运行初期流体空化和颗粒冲蚀对阀芯的失效影响、损伤过程预测和结构优化具有重要的价值。并且，与50%开度相比，阀芯开度为40%时，当黑水通过阀芯与阀座间的窄通道时，流速和压力变化更剧烈，颗粒加速更明显，由此会导致更为严重的多相流空化和冲蚀磨损。因此，本文针对在液控调节阀开度为40%的工况下阀内的多相流动空化和冲蚀规律开展数值模拟。
某厂的液控调节阀结构如图1所示，流体介质参数见表1。在标准工况下，阀门的进口压力为4.5～5.5MPa，出口压力为1.5～1.8MPa，介质为黑水并夹带颗粒，虽然黑水成分复杂，但绝大部分成分为普通水，故本次模拟采用纯水。流体流经阀芯和阀座之间的间隙时，压力与流速变化均十分剧烈。因此，在数值计算过程中采用结构化网格进行网格划分，阀的间隙及其前、后区域的网格进行局部加密，局部网格如图2所示。经加密后，网格总数为2.1×105，网格最大边长比为2，歪斜度均不大于0.1。当进口压力为4.5MPa，出口压力为1.5MPa时，将网格数量提高至9.1×105，对阀芯顶部抛物线段上方最小通道处沿y轴方向的直线L进行网格无关性验证。网格无关性验证如图3所示，网格改变前、后的最大误差分别为1.0%和0.9%，可排除网格数量对计算结果的影响。
图1 液控阀的结构示意图
图2 局部网格图
图3 网格无关性验证
表1 介质物性参数
2 控制方程
2.1 连续性方程和动量方程
混合相连续性方程为
![]() （1）
式中混合相密度ρm＝ρvαv＋ρl（1－αv）。
蒸气空泡相质量传输方程为
![]() （2）
动量守恒方程为
![]() （3）
式中： ![]() 为流体相速度；下标v、l分别代表蒸汽相和液相；α为体积分数；Re为蒸发相生成率；Rc为凝结相生成率；μ为流体动力黏度；p为流体相压力；上标T为矩阵转置； ![]() 为单位体积内离散颗粒对连续相的反作用力，仅计算连续相时 ![]() ＝0。
2.2 湍流模型
选择Realizablek－ε湍流模型，则湍动能k的输运方程为
![]() （4）
湍动耗散率ε的输运方程为
![]() （5）
式（4）和式（5）中： ![]() ；η＝Sk/ε；μt为湍动黏度；Gk为平均速度梯度产生的湍动动能生成项；Gb为由于浮力引起的湍动能k的产生项；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；S为用户定义的源相；σk、σε分别为湍动能及其耗散率的湍流普朗特数；C1ε、C2、σk、σε分别取值1.44、1.9、1.0和1.2。
2.3 空化模型
空化采用Schnerr－Sauer模型，其中：
当pv＞p时，
![]() （6）
当pv＜p时，
![]() （7）
空泡半径RB为
![]() （8）
式中：pv为饱和蒸汽压；αv为蒸汽相体积分数。
2.4 冲蚀磨损模型
固相颗粒在笛卡尔坐标系下的运动方程为
![]() （9）
式中：下标p代表颗粒相； ![]() 为颗粒速度；ρp为颗粒密度； ![]() 为单位质量固相受到的曳力； ![]() 为重力项；F为其他作用力。
固相颗粒冲击金属表面时，能量的损失将引起反弹速度小于冲击速度，通常采用恢复系数描述该作用，采用Grant等实验总结获得的恢复系数公式为：
冲蚀磨损模型为
![]() （12）
式中：eN和eT分别为法向恢复系数和切线恢复系数；θ为颗粒对壁面的冲击角度；E为磨损率，kg·m-2·s-1；mp为颗粒质量；dp为颗粒直径；n（v）为速度指数；Aface为冲蚀面积。
采用相关数据：用分段函数描述冲击角函数f（θ）与冲击角θ之间的关系，见表2；速度指数值n（v）＝2.6，粒径函数C（dp）＝1.8×10-9。
表2 冲击角度及函数值
湍流模型采用RNGk－ε模型，压力－速度的耦合采用PISO算法，动量、压力、湍动能、湍流扩散率均采用二阶迎风格式，体积分数使用一阶迎风格式；壁面采用固壁无滑移条件，近壁面采用标准壁面函数。
3 仿真结果及分析
在计算空化流动的过程中引入的基本假设条件为：1）水的动力黏度μ不随速度梯度的变化而变化，即水为黏性牛顿流体；2）水的压缩性小，压力每增加1个标准大气压时，其体积变化不到万分之一，即在计算中将水作为不可压缩流体处理；3）流体在阀腔内的流动为定常流动，即使用稳态计算；4）进出口温度基本恒定，不考虑传质传热；5）流场具有良好的对称性，简化为二维的轴对称模型进行计算。
3.1 速度场分析
图4为当出口压力为1.5MPa时，不同入口压力下阀芯附近流场速度分布云图。从图4（a）可以看出，当入口压力为4.5MPa，流体流经阀芯与阀座间隙时，在很短的距离内，流速上升至85m/s左右，由此会导致压力的迅速下降，一旦压力降至流体的饱和蒸汽压pv以下（图5），产生液－气相变，空化就会随之形成（图6）；同样地，当入口压力提高到5.5MPa时，窄通道内流体最大速度可达95m/s，该区域压力迅速下降，从而形成空化。并且，随着入口压力的升高，流速变化更为剧烈，加剧空化的产生。
图4 pout＝1.5MPa时，不同入口压力下阀芯
附近流场速度分布云图（单位：m/s）
以入口压力5.5MPa为例分析颗粒在流体中的运动情况，见图4（c）。可以看出，增加颗粒后，流体流经阀芯与阀座间隙时的高速区域增大，流体携带着颗粒在阀芯附近高速运动，同时颗粒的轨迹及速度基本与流场一致。在距离阀芯顶部5mm处产生回流，速度在20m/s左右，颗粒在流体曳力的作用下冲击阀芯顶部及其抛物线段，形成冲蚀磨损。
3.2 压力场分析
图5为当出口压力为1.5MPa时，不同入口压力下阀芯顶部抛物线段压力分布曲线。从图5可以看出，流体在流经窄通道时，该区域压力会迅速降低至流体的饱和蒸汽压pv（3.54kPa）以下，同时压力能转化为动能使流速迅速上升，并形成空化现象。并且，随着入口压力增加到5.5MPa后，窄通道内的压差变化程度增加，空化的区域和强度均会增加。当入口压力为4.5MPa时，在阀芯顶部形成的低压区域主要分布在距阀芯顶部抛物线段8～15mm；当入口压力为5.5MPa时，低压区域主要分布在距阀芯顶部抛物线段6～15mm。可以看出，随着入口压力的增加，阀芯顶部压力下降的区域增大，压差变化趋势增强。
图5 不同入口压力下阀芯顶部抛物线段
压力分布曲线（pout＝1.5MPa）
3.3 空化场分析
图6为当出口压力为1.5MPa时，不同入口压力下阀芯附近流场液相分率分布云图。从图6中可以看出，空化区域主要集中在阀芯抛物线段与阀座壁面之间，流体介质经过阀喉部节流作用，压力能转化为动能，流速增加，液体汽化剧烈，逐渐产生局部空化区域。同时，提升入口压力会增大阀芯顶部抛物线段处低压区域，空化趋势增强。入口压力为4.5MPa时，形成的空化区域并未脱离整个空化区域；当入口压力提高到5.5MPa时，形成对称的小椭圆形空化区域已经分离开来并脱离整个空化区域，移动到正对阀芯顶部5mm左右的位置。
图6 当pout＝1.5MPa时，不同入口压力下阀芯
附近流场液相分率分布云图
3.4 磨损分布
图7为入口压力提高后，不同颗粒质量浓度下阀芯顶部抛物线段磨损率随颗粒直径变化的分布图。固体颗粒在跟随流体进入阀芯与阀座间的窄通道时，由于流体的携带加速作用，使流动方向发生了较大的改变，固体颗粒几乎不与阀芯顶部圆弧段发生接触，而在顶部抛物线段区域会产生接触和碰撞，存在一定程度的磨损。从图7可知，阀芯顶部抛物线段磨损率量级分布在10-2～10-4，当颗粒质量浓度一定时，随着颗粒直径的增大，磨损率分布的整个趋势是先减小、后增大、再减小，这是因为颗粒在粒径较小时惯性小，随流体的流动性能好，当粒径增大时惯性增加，带动固体颗粒运动需要更大的流体速度，所以此时磨损率有所下降；当颗粒直径增加到90μm时，颗粒的质量同时增加，对阀芯与阀座的撞击作用增强，使得磨损率有所增大；当颗粒直径进一步增大时，流体对颗粒的携带作用进一步下降，使得固体颗粒对阀芯与阀座的撞击频率下降，从而此时磨损率又有所下降；当颗粒直径不变时，随着颗粒质量浓度的增加，固体颗粒对阀芯与阀座的撞击作用与撞击频率都增强，使得磨损率呈上升趋势。
图7 不同颗粒质量浓度下，阀芯顶部抛物线
段磨损率随颗粒直径变化的分布图
（Pin＝5.5MPa，Pout＝1.5MPa）
4 结论
建立开度为40%的液控调节阀的空蚀/冲蚀数理模型，模拟和分析液控调节阀的空化和冲蚀特性，结论如下：
1）当入口压力由4.5MPa提高到5.5MPa时，阀芯与阀座之间的窄通道内最高流速由85m/s上升到95m/s，流速变化更为剧烈；
2）当入口压力由4.5MPa提高到5.5MPa时，在阀芯顶部抛物线段附近形成的低压区域由8～15mm变为6～15mm，压力下降区域增大；形成对称小椭圆形空化区域并脱离整个空化区域；
3）当流动介质含有颗粒时，易对阀芯产生冲蚀磨损，且冲蚀磨损发生在顶部抛物线段附近；当入口颗粒质量浓度一定时，磨损率分布趋势是随颗粒直径的增大，先减小、后增大、然后再减小；当入口颗粒直径不变时，磨损率随入口颗粒质量浓度的增加而增大。
来源：网络转载
转载请注明：电子人社区 | 
发表于 2016-12-9 10:37:13
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