高温高压差液控阀空化和空蚀的数值分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

当流体与过流部件发生高速相对运动时.极易产生空化现象 -2]≌化形成的气泡在流经高压区时.会发生溃灭。造成空蚀 ，引发诸如材料损伤、振动和噪声等问题3卅。由于液控阀操作频繁，工况多变，在高速流体的作用下，其空蚀损伤十分严重。因此，计算液控阀内部的空化流动.预测空化和空蚀的危险区域。探讨流场条件和几何参数对空化和空蚀的影响.具有重要的现收稿日期：2013-04-23作者简介：王黎(1970-)，男，内蒙古鄂尔多斯人，高级工程师，本科，主要研究方向为煤制油化工的机械与设备技术。

随着计算流体动力学(CFD)方法的不断成熟，数值模拟已成为研究阀门空化和空蚀特性的重要手段。本文采用l高温高压液控阀的实际操作条件和工艺介质。

分析液控阀的空化和空蚀特性 .计算结果与实际失效案例基本吻合。并且 。分析了温度、人口压力、阀芯角度、阀门开度对空化区域和强度的影响∩为同类阀门空化和空蚀的预测提供借鉴1 计算模型液控阀的结构示意图如图 1所示 .典型工况下.阀Hydraulics Pneumatics＆ Seal8，N0.O6.2013门的进、出口压力分别为 18.OMPa和 3.02MPa，进、出口温度分别为 415℃和412%，介质的主要成分为烃类。由图 1可知.流体流经阀芯和阀座之间的间隙时.流速和压力变化十分剧烈。因此.在数值计算过程中需对阀间隙及其前后区域的网格进行局部加密。计算过程中采用的网格数量为 15万。当进口压力为 14.OMPa，出口压力为 3.02MPa时 .将网格提高至 3O万。对网格无关性进行验证♂果表明.窄通道内的最高流速在网格改变前后分别为 190ngs和 193m/s.并且 .其他的流动参数也未发生明显改变。因此∩排除网格数量对计算结果的影响出通过头 冲击头阀间隙 压力调整系统(a)液控阀的结构示意图 (b)阀芯的几何尺寸(单位 mm)图1 液控阀在计算空化流动的过程 中引入 的基本假设条件为：①流经阀门的介质为牛顿流体嘲；②阀门的进出口温度分别为415℃和 412℃.因此在流动过程中介质的温度视为恒定：③为了描述空化过程，将流动方式处理为气、液两相流，并视为不可压缩流体；④流尺有良好的对称性。简化为2维的轴对称模型进行计算。

通过 ASPEN Plus软件.基于介质中各轻烃的组分和油品的恩式蒸馏 (ASTM D86)数据 ，运用 Peng-R。binson流体包。计算介质的物性参数，计算结果如表1所示表 1 气液两相的物性参数2 控制方程2.1 连续性方程和动量方程基于完整的空化模型闹.空化流动计算的控制方程如下：(1)连续性方程混合流体相V.pu 0 (1)蒸汽空泡相号 ( )V·(of，lt)R。-R。 (2)(2)动量方程v·(puu)-v p- v[( )V· V。[( 地)V u]pg (3)其中，aV /(v 。i i )是空泡相的体积组分，P为流体的混合密度ptr# (1-仪)p ，R是净相变率 R尺 -尺。，其中， 表示蒸汽生成率， 表示蒸汽凝结率。

2.2 湍流模型标准 -占湍流模型在模拟强旋流、浮力流等的模拟中，会出现-定的失真情况。因而采用重整化群 k-e湍流模型，即RNG k-6模型对流体相进行模拟171。这种湍流模型的优点为：①模型中的系数是由RNG理论推导出来的，并非经验数据；② 方程中有-附加项R，代表平均应变率对湍流耗散率占的影响；③采用RNG k-s湍流模型.可以较好地模拟流动的分离和漩涡.同时可以较准确地预测近壁区的流动。

RNG -8模型与标准k-6有类似之处.将其引入两相空化流流体相的模拟中.k方程如下：pDk毒( aki)GkGsGR-p -yM (4)方程如下：J9 毒( 鲁) (GkGg)-C2ps]-R(5)等效粘性系数 为分子粘性系数 和湍流粘性系数 之和。在高雷诺数流动区域，湍流粘性系数 T2p ，在低雷诺数流动区域 ，例如近壁区， 硪由下面的式子求得：( )1.72- 、/ 、/ -1G式中， 缸，Cv 1000。Gk、G 、GR见标准 -占模型，yM是由于可压缩性引起的湍动能耗散项，在流体相模拟中可不予考虑。在 占方程式中的附加项 R为：1C )prl(-27- 2- 。肚 - -Ifi r/(6)粥钉毒]毗--2-占其Hydraulics Pneumatics& Seals/No.06.2013速会骤然降低 ，并产生回流区。在回流区域。气相相分率较高，形成空化带。随着人口压力的增加，回流的强度和区域扩大.空化的强度和区域也随之增加3.2 入口压力的影响图7是出口压力为 3.02MPa，入口压力分别为 l2、14、16MPa，操作温度为 415℃，阀门开度 d6mm时.阀芯壁面空化强度的变化规律。由此可见.当入口压力为12MPa时，阀芯出口处壁面的气相相分率为 0.2 当压力提高至 16MPa时.出口处壁面的气相分率上升至O.4。因此，在阀门出口压力和操作温度不变的前提下，液控阀的空化程度对人口压力的变化较为敏感 随着入口压力的增加.窄通道内的压差变化更加剧烈.空化的区域和强度均会增加1 O褥 O 8萎O。6O4O 2舛由长度/mm图 7 不同压力下阀芯壁面的空化 强度3.3 操作温度的影响图8是进出口压力分别为 14.0MPa和 3.02MPa.阀门开度 d6ram.操作温度分别为 370℃、410C和 450℃时.壁面空化强度的变化规律。由此可知 ，液控阀空化程度的强弱与流体的温度有很大关系。流体温度越高。

空化现象越剧烈。当操作温度为 370℃时，窄通道出口处壁面的气相分率仅为0.18.当温度上升至450℃时。

出口壁面处的气相分率上升至 0.43。因此，在阀门的操作过程中。适当降低流体温度，可减轻空化强度。

褂i-450℃2 2-410℃/3 3-370℃轴长度/mm图8 不同操作温度时阀芯壁面的空化强度4 结论采用高温高压液控阀的实际操作条件和介质的物性参数 .基于两相空化流动的控制方程和RNG k-6湍流模型，分析液控阀的空化和空蚀特性，结果表明：(1)流体在流经阀座和阀芯之间的窄通道时，流速急剧增加。压力迅速降低至液体的饱和蒸汽压以下.形成空化。当空化发展到-定程度，阀芯壁面的空化泡不断地生长和破裂，极易形成空蚀。数值分析的结果与阀芯的实际失效形貌基本-致。

(2)由于阀芯出口处的突扩结构。流速急剧降低。流体出现分离现象，产生回流区。在回流区会形成空化带。

(3)阀门操作温度、入口压力的增加 ，均会导致空化区域扩大.强度增强。