| 0引言
調節閥廣泛應用于工業自動化系統中，主要用來調節并控制管路中介質的流量、壓力、溫度、液位等�？栈�調節閥內無法避免的一種水動力學現象，尤其是在調節閥開度較小的工況條件下因調節閥閥芯與閥座之間的節流面積很小而導致介質流速加快且壓強急劇降低，當壓強降低至該介質的飽和蒸汽壓以下時產生汽化，從而產生汽泡。當汽泡隨介質流動到壓強較高的地方便開始收縮、回彈直至潰滅。潰滅時，在不到1 m、的時間內流體局部壓強可達數百兆帕，局部溫度高達幾千攝氏度[3]。這
將對材料表面產生巨大破壞。
由于調節閥內部流動復雜且完全封閉，采取實驗的方式很難觀察其內部流動結構以及空化發生位置，且空化的結構、強度是很難測量觀察的，而數值模擬能將復雜流動可視化，其成本低且效率高。針對這一問題，Sumio等[#]研究了某型調節閥的空化狀況，分析了兩種不同結構形式的調節閥流道的空化狀況，并比較了二者的空化特性。An等[5]采用混合網格分析了某調節閥原始模型的空化狀況，隨后對其閥籠結構進行了改進，計算結果表明，改進后的模型空化狀況明顯改善。王鵬飛[Cpl采用RNG k二模型、Mixture多相流模型、Zwart}erber}elamri空化模型模擬了不同的閥芯結構、閥門開度、閥座倒角、閥芯錐角以及閥座的倒角長度下的空化狀況。干瑞彬分析了高壓差黑水調節閥(一種應用于煤直接液化裝置的調節閥，其工況惡劣)內汽液固三相流動狀況，并對分析結果與試驗結果進行比較，使用3種方法強化了流道內部表面材料的性能，結果表明能延長其使用壽命。王黎等00采用RNG k二模型并結合近壁面函數模擬了不同的入口壓強及操作溫度下的空化狀況。
本文根據調節閥流道形狀及邊界條件選擇Mixture多相流模型、Realizable k一二湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型對調節閥原始模型進行計算，并分析其內部流動狀況，尤其是壓力及空化分布狀況。隨后對閥芯密封面上下兩側拐角處倒圓角，并多次改變閥芯密封面與垂直方向夾角a和閥芯密封面長度L，采用相同物理模型分別計算并比較各組參數下空化狀況，旨在尋找一組空化抑制效果較好的閥芯參數。
模型前處理
1. 1網格無關性檢驗
該型調節閥原始結構如圖1所示，閥門口徑為DN25。主要零件包括閥體、閥座、閥籠及閥芯。流體從左側流入，右側流出。其中，閥芯閥座二者配合起節流作用，閥籠起整流作用。閥座閥芯結構如圖2所示。其中，閥芯密封面長度L以及閥芯密封面與垂直方向的夾角a兩個結構參數與調節閥的空化狀況密切相關。
將模型導入前處理軟件ANSYS ICEM CFD中進行前處理。將模型入口端延長口徑的3倍距離，這樣閥門內部的流動才能與真實流動相契合。
一般來說，在數值計算中，網格越密則數值解的精度越高，但計算資源是有限的，故需要找到網格獨立的解(所謂網格獨立解就是當網格達到一定數量后再進一步增加網格數量對計算結果的影響很小)。尋找網格獨立解的過程被稱為網格的無關性驗證。本文通過劃分不同數量的網格并用同一種物理模型( Realizable k一二湍流模型)計算其質量流量并比較其偏差大小，計算結果如圖3所示。
由圖3可知，當網格數量大于5. gXI護個時，質量流量的大小誤差小于2 %，故獲得網格獨立解的網格數只需大于5. 8x105即可，但考慮到網格數量太少難以保證網格質量，故綜合考慮選取的網格數量為1. 31 x106個。
圖1 DN25型調節閥結構
圖2閥芯和閥座結構
圖3網格的無關性驗證
1. 2網格劃分
網格數量確定為1.31x1護個，對關鍵流動區域進行網格加密，加密部分如圖4所示。然后，對所有網格進行光順操作，以提升質量。網格質量大于0. 3，可滿足計算要求。
圖4關鍵部分網格加密圖
2計算模型選擇
2. 1多相流模型
空化屬于多相流，綜合考量計算時間和精度要求，選擇Mixture多相流模型。該模型在處理高溫、高壓以及可壓縮性氣、汽、液多相流動復雜題上具備較好的能力，其方程組[A}]如(l)一(}3)所示，即:
其中，式(l)為混合相的連續方程，式(2}為混合相的動量方程，式(3)為第二相體積分數方程。式中，P 、為混合相密度，v 、為質量平均速度，F為質量力，拜11、為混合相粘度，va,為第二相的漂移速度，va,為相對速度。
2. 2湍流模型
由于在調節閥節流部分壓力梯度較大且考慮到由于流道不規則會產生一些漩渦，故選擇Realizablek湍流模型。該模型能較好的求解各種不同類型的流動[D。一“」。k一二湍流模型包含了k和。psilo。兩個輸運方程，分別描述了k(湍流脈動動能)和二(湍流耗散率)的輸運過程(也就是隨時間和空間的變化)，方程如(4)和(5)所示:
式(4)一(5}中，P為密度，k為湍流脈動動能，二為湍流耗散率，拜為動力粘度，拜，為渦流粘度，o-、和o-二分別為k和二的湍流普朗特數，一般分別取1和1.2o u，和，，為速度和方向張量，‘、表示由平均速度梯度而產生的湍動能，G,。表示由浮力產生的湍動能，Y 、表示可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的貢獻，S、和S二為自定義源項，v為運動粘度，S為平均應變張量模量C,, Cz, C,二以及幾二都為常數。
2. 3空化模型
軟件FLUENT中包含了3種空化模型，分別為全空化模型、Zwart}erber}elamri空化模型和Schnerr Sauer空化模型。3種空化模型都包含相同的空化輸運方程和氣泡動力學方程，主要的區別在于方程后面的兩個自由項表達式不同，這兩個自由項是經過大量實驗總結的經驗公式，分別描述了蒸汽產生和凝結�？紤]到空化與湍流同時發生并產生相互作用，而且還要考慮是否與先前的多相流模型兼容，故選擇Schnerr Sauer空化模型[}zao。該模型表達式如(6)和(7)所示，即:
式中，下標的源項，R部壓力。當P、V表示氣相，a為氣相體積分數為與氣體凝結質量有關的源項，，Pv RRP1為氣相密度，為汽泡半徑，V、為氣相速度P，為液體密度，，R。為與氣體生成質量相關尸。為汽泡表面壓力，P為局)尸時，有:
該模型的優點在于與所有湍流模型都能夠較好地兼容搭配，也適用于Mixture多相流模型，而且收斂速度快，魯棒性良好。
3原始模型計算結果分析
原始調節閥模型的閥芯密封面與垂直方向的夾角a=350}L=6 mm，調節閥開度為10 %，也即閥芯閥座密封面之間的垂直距離為2. 5 mm，這是該型調節閥的一種常用工況。模型的入口邊界條件設為壓力入口，壓力大小3 MPa。出口邊界條件設為壓力出口，大小為0. 2 MPa。采用SIMPLE算法，二階迎風格式，經過2 000步的計算達到收斂。閥芯處壓力體積云圖如圖5 (a)所示，閥芯表面氣相體積云圖如圖5 (b)所示。
由圖5 (a)可知，壓力最低點在閥座與閥芯的拐角處，大小為3 540 Pa，低于常溫水的飽和蒸汽壓，故而會產生空化。由圖5 fib)可知，空化發生在閥芯上側拐角處并向上側發展，該部分與圖5 }a}的壓力最低處吻合�？栈蒌螠缬陂y芯拐角上側壓力增高處CJn},圖5 (b) ]�？张莸臐缢a生的高溫高壓會對閥芯表面造成巨大破壞，從而降低其使用壽命。根據上述分析可知，該組原始閥芯參數(a=350}L=6 mm)會造成大量空泡。因此，調整這兩個參數是下一步進行優化的重點。
圖 5初始壓力及氣相體積云圖
4模型優化及其結果分析
4. 1閥芯及閥座結構優化
參考各類文獻中的優化思路并對閥芯參數經過多次改進[[5 h]，試算之后找到了一組優化結果較好的參數。優化后的閥芯結構為a=500}L=5.5 mm，并將閥芯密封面上下兩側拐角處進行倒圓角，上側拐角處圓角半徑:} = 1 mm，下側拐角處圓角半徑r2=1.5 mm。然后將改進后的零件重新裝配并導入前處理軟件ICEM中再次作前處理，方法與前述相同。
4. 2優化后模型的計算結果分析
由于優化前后的工況和邊界條件均相同，故計算模型也不變。經過2 500步計算達到收斂。優化后壓力及氣相體積云圖如圖6所示。
圖6 優化后的壓力及氣相體積云圖
由圖6 (a)可知，最低壓力數值并未改變，但低壓區域位置產生了變化，低壓區域離閥芯表面仍有一定的間隙。由圖6 (b)可知，優化后空化發生的起始處仍處于閥芯密封面上側拐角處并向上側發展，但空化區域的氣相體積相較于原始模型大大減少。這正是由于低壓區域位置發生改變所致。
圖7所示為優化前后垂直方向截面上閥芯表面的氣相體積占比狀況。將閥芯密封面上側拐角處設定為起始位置，垂直方向的距離間隔為0. 25 mm。優化前的氣相體積占比如圖7 (a)所示。由圖可知，由于空化所產生的大量汽泡附著于閥芯表面，當距離達到3 mm時明顯減弱。優化后的氣相體積占比如圖7 (b)所示，距離間隔為0. 5 mm時達到峰值，且距離間隔大于1. 75 mm時汽泡基本消失，空化區占據的距離明顯收窄。圖7中曲線與橫坐標之間的面積大小是空化泡的總量。對比圖7 (a) (b)可以發現，優化后閥芯表面的空化泡總量相較于優化前減少60%以上，優化效果十分明顯。
圖7 優化前后閥芯表而氣相體積分數
為了弄清閥芯結構的改變是否會對該型調節閥的流量特性造成影響，分別計算原始模型及優化后模型的質量流量。經過計算得到原始模型的質量流量為6. 83 kg / s，改進后的模型質量流量為6.75 kg/s}二者相差很小，故閥芯閥座結構參數的改進對調節閥的流量特性影響很小。
4. 3優化模型的驗證
根據王鵬飛[t}}對液壓錐閥的仿真結果，適當增大閥芯密封面與垂直方向的夾角a對閥芯表面的空化狀況確有抑制效果。另外，可通過如下實驗方法驗證模擬結果:在調節閥閥體上開一個透明玻璃窗口，將該模型放在閥門試驗臺上，在給定工況下，利用PIV技術將高速攝像機固定在透明窗口處測量閥芯密封面處示蹤粒子的瞬態流速，以此為依據計算出閥芯密封面不同位置的空化數，并比較不同閥芯參
數下空化數的大小即可驗證仿真結果。
5結論
①利用CFD軟件FLUENT對某型調節閥進行流場分析，采用Mixture多相流模型、Realizable k一二湍流模型和Schnerr Sauer空化模型計算結果可以發現原始模型閥芯表面空化狀況較嚴重。
②對閥芯和閥座參數進行優化，數次增加閥芯密封面與垂直方向夾角a并改變閥芯密封面的長度L。多次試算后發現，當:r1=1 mm}r2=1.5 mm}a=50“且L=5. 5 mm時優化效果較好。這種優化思路為該型調節閥設計提供一定的借鑒意義。
③優化后的模型計算結果表明，閥芯表面低壓區域明顯減小，相應的空化域面積減小，閥芯表面空化泡總量較優化前減少60%以上，優化取得了預期效果�？栈癄顩r的改善將會延長該型調節閥的使用壽命并抑制其振動噪聲狀況。
|
