基于Fluent的凝結(jié)水氣動(dòng)主調(diào)節(jié)閥防空化設(shè)計(jì)驗(yàn)證

祝欣慰，騫宏偉，陳 寶，蔣永兵，顏炳良，諶傳江

（1.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095；2.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707）

0 引言

凝結(jié)水氣動(dòng)主調(diào)節(jié)閥進(jìn)口壓力不高，但部分工況中閥后壓力較低，實(shí)際運(yùn)行中閥門內(nèi)部空化破壞較嚴(yán)重。普通的單級(jí)調(diào)節(jié)閥所能承受的最大壓力較小，容易出現(xiàn)空化、閃蒸等現(xiàn)象[1]。多級(jí)減壓調(diào)節(jié)閥以流量控制穩(wěn)定、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)廣泛地應(yīng)用在各種工業(yè)系統(tǒng)中，也被稱為防空化調(diào)節(jié)閥[2]。因此，為避免出現(xiàn)空化現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出多級(jí)降壓的閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)。

圖1 多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)防空化原理Fig.1 The principle of multistage depressurization on preventing cavitation

針對(duì)閥門防空化結(jié)構(gòu)，學(xué)者做了較多的研究。彭建等[3]通過對(duì)串級(jí)式多級(jí)降壓閥門的研究，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥開度越大，閥內(nèi)越容易產(chǎn)生空化現(xiàn)象。產(chǎn)生空化現(xiàn)象的主要部位在最后一級(jí)減壓區(qū)域的閥座與閥芯的交界面上，而且閥座表面的空化現(xiàn)象比閥芯表面更為嚴(yán)重；李樹勛[4,5]等對(duì)多層套筒閥的內(nèi)部空化情況進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)多級(jí)降壓套筒達(dá)到了逐級(jí)降壓，限制流速的目的。閥內(nèi)部加入多級(jí)套筒與均流罩，可有效抑制閥內(nèi)部空化的發(fā)生與發(fā)展，基本能夠滿足防空化的要求；何秋玲[6]通過對(duì)串級(jí)式多級(jí)降壓做仿真模擬，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)可有效防止閥門空化的產(chǎn)生；李軍業(yè)[7]通過對(duì)防汽蝕結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)兩層多孔式的套筒在某些工況下防汽蝕效果較好；陳鋒[8]通過對(duì)電廠使用的閥門進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)多級(jí)節(jié)流降壓技術(shù)能有效防止閥門內(nèi)部產(chǎn)生汽蝕。

通過查閱大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)的防空化效果較好。為滿足凝結(jié)水氣動(dòng)主調(diào)節(jié)閥對(duì)防空化的要求，本文對(duì)所涉及的分段式三級(jí)套筒閥門內(nèi)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真模擬，驗(yàn)證其防空化效果。

1 空化的產(chǎn)生及多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)防空化原理

空化包含了兩個(gè)階段，即閃蒸和空化[9]。當(dāng)壓力為P1的流體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)，流速突然急劇增加，靜壓驟然下降；當(dāng)孔后壓力P2達(dá)到或低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓力Pv時(shí)，部分流體汽化成氣體，產(chǎn)生氣泡，形成汽液兩相共存現(xiàn)象，稱為閃蒸階段。在節(jié)流處后面，壓力逐漸恢復(fù)，升高的壓力壓縮氣泡，使氣泡突然破裂，稱為空化階段。氣泡破裂時(shí)所有的能量集中在破裂點(diǎn)上，產(chǎn)生幾千牛的沖擊力，沖擊波的壓力高達(dá)2×103MPa，大大超過了大部分金屬的疲勞破壞極限。同時(shí)，局部溫度高達(dá)幾千攝氏度。這些過熱點(diǎn)引起的熱應(yīng)力是產(chǎn)生汽蝕破壞作用的主要原因[10]。

圖2 方案一：分段式三級(jí)套筒閥門結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Scheme 1：The general view of the piecewise three-stage cage multi-hole valve

圖3 方案二：單級(jí)套筒閥門結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Scheme 2：The general view of the single-stage cage multi-hole valve

目前，利用多級(jí)降壓的原理，國內(nèi)外已有多種防汽蝕結(jié)構(gòu)，其中典型的有迷宮式結(jié)構(gòu)和多層套筒式結(jié)構(gòu)[7]。高壓調(diào)節(jié)閥在設(shè)計(jì)過程中，解決的方案是利用多級(jí)節(jié)流降壓原理，如圖1所示。把入口處的高壓p1通過多級(jí)節(jié)流區(qū)域，逐漸降壓至出口處的壓力p2。這個(gè)思路就是在閥芯處設(shè)置多級(jí)節(jié)流裝置，并保證在每一次降壓后的壓力高于該處的飽和蒸汽壓力pv而不致發(fā)生空化的現(xiàn)象。

2 閥門節(jié)流組件的設(shè)計(jì)

根據(jù)ISA-RP75.23的介紹，閥門空化系數(shù)定義為：

圖4 分段式三級(jí)套筒閥門結(jié)構(gòu)工況7下介質(zhì)壓力分布云圖Fig.4 Contours of static pressure of the piecewise three-stage cage multi-hole valve working on condition 7

圖5 分段式三級(jí)套筒閥門結(jié)構(gòu)工況7下蒸汽體積組分分布云圖Fig.5 Contours of volume fraction of the piecewise three-stage cage multi-hole valve working on condition 7

圖6 單級(jí)套筒閥門工況7下介質(zhì)壓力分布云圖Fig.6 Contours of static pressure of the single-stage cage multi-hole valve working on condition 7

當(dāng)此系數(shù)較低時(shí)，閥門容易產(chǎn)生空化現(xiàn)象。

根據(jù)對(duì)閥門的設(shè)計(jì)計(jì)算，凝結(jié)水氣動(dòng)主調(diào)節(jié)閥的空化系數(shù)較低時(shí)主要出現(xiàn)在較小閥門開度下，空化系數(shù)較高時(shí)出現(xiàn)在較大閥門開度下。針對(duì)此種情況，為避免閥門結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大面積的空化現(xiàn)象，閥門設(shè)計(jì)節(jié)流組件成如下結(jié)構(gòu)：較小閥門開度下，節(jié)流組件采用三層孔式套筒結(jié)構(gòu)；中等閥門開度下，節(jié)流組件采用兩層孔式套筒結(jié)構(gòu)；較大閥門開度下，節(jié)流組件采用單層孔式套筒結(jié)構(gòu)。

圖7 單級(jí)套筒閥門結(jié)構(gòu)工況7下蒸汽體積組分分布云圖Fig.7 Contours of volume fraction of the single-stage cage multi-hole valve working on condition 7

3 仿真模擬實(shí)驗(yàn)

目前，歐拉—拉格朗日方法和歐拉—?dú)W拉方法較多地應(yīng)用于研究多相流方法。在Fluent中，共有3種歐拉—?dú)W拉多相流模型，即VOF（Volume Of Fluid）模型、混合物模型和歐拉（Eulerian）模型。本文基于Fluent對(duì)閥門真實(shí)應(yīng)用工況做空化仿真模擬實(shí)驗(yàn)，湍流模型選用standardk-epsilon Model，多相流模型選擇Mixture，空化模型選用Schnerr-Sauer模型。

表1 介質(zhì)空化過程中汽相質(zhì)量和體積數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of gas mass and volume data in the process of medium cavitation

1）分段式三級(jí)套筒閥門結(jié)構(gòu)的仿真模擬

以其中最惡劣工況為例做仿真模擬測試：該工況介質(zhì)為28℃的水，閥門前端壓力為P1=3.187Mpa，閥門后端壓力為P2=0.4371Mpa，飽和蒸汽壓力為P2=0.004Mpa。根據(jù)對(duì)閥門的設(shè)計(jì)計(jì)算，該工況下閥門相對(duì)開度為23%。通過Fluent仿真模擬實(shí)驗(yàn)，閥門在該工況下的蒸汽體積組分分布云圖如圖4、圖5所示。

模擬結(jié)果顯示，多級(jí)套筒使閥門內(nèi)介質(zhì)壓力分級(jí)降壓，因而每層壓力降更小；閥門在該工況下的蒸汽體積組分最嚴(yán)重處占比為0.237，且僅在與閥塞接觸的最內(nèi)層套筒上有零星的幾處空化現(xiàn)象。根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，空化過程中汽相總質(zhì)量為6.06×10-6g，總體積為10.93mm3。

2）單層套筒閥門結(jié)構(gòu)工況7的仿真模擬測試

為對(duì)比多層套筒結(jié)構(gòu)的防空化效果，將單層套筒閥門結(jié)構(gòu)做仿真模擬實(shí)驗(yàn)，同樣以該工況為實(shí)驗(yàn)條件：介質(zhì)為28℃的水，閥門前端壓力為P1=3.187Mpa，閥門后端壓力為P2=0.4371Mpa，飽和蒸汽壓力為P2=0.004Mpa。仿真模擬結(jié)果如圖6、圖7：

模擬結(jié)果顯示，閥門在該工況下的蒸汽體積組分最嚴(yán)重處占比為0.972，且僅在與閥塞接觸的最內(nèi)層套筒上有零星的幾處空化現(xiàn)象。根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，空化過程中汽相總質(zhì)量為9.82×10-4g，空化總體積為1772mm3。

3）兩種結(jié)構(gòu)的空化模擬對(duì)比

通過對(duì)其余工況在實(shí)際開度下的運(yùn)行狀態(tài)做仿真模擬實(shí)驗(yàn)，得到介質(zhì)空化過程中汽相質(zhì)量和體積數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)見表1。

模擬結(jié)果顯示，同種工況及同等流通能力下，分段三級(jí)式套筒閥門結(jié)構(gòu)空化過程中汽相質(zhì)量和體積遠(yuǎn)小于單級(jí)套筒閥門結(jié)構(gòu)中汽相的質(zhì)量和體積。

4 結(jié)論

通過對(duì)凝結(jié)水氣動(dòng)主調(diào)節(jié)閥兩種結(jié)構(gòu)各使用工況的仿真模擬，對(duì)比分析結(jié)果可發(fā)現(xiàn)：針對(duì)凝結(jié)水氣動(dòng)主調(diào)節(jié)閥的使用工況，分段式三級(jí)套筒閥門結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換成汽相的體積、質(zhì)量相對(duì)于單級(jí)套筒閥門結(jié)構(gòu)較少，汽相所占的絕對(duì)量亦較少，因此判定，分段式三級(jí)套筒閥門結(jié)構(gòu)應(yīng)用于凝結(jié)水工況能有效防止閥門產(chǎn)生大面積的空化現(xiàn)象。