彭龑，宗亮宇，李淇陽

（四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中工程師主要采用現(xiàn)場試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬方法兩者相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，工程師通過現(xiàn)場試驗(yàn)方法獲取阻力、壓力降和功率等影響設(shè)計(jì)的參數(shù)。但在研發(fā)的過程中若完全采用現(xiàn)場試驗(yàn)方法來獲得流量等數(shù)據(jù)，那將需投入大量的研發(fā)資金，并且延長了產(chǎn)品研發(fā)周期，不利于快速響應(yīng)市場需求［1］。國內(nèi)對調(diào)節(jié)閥內(nèi)部空化及汽蝕問題數(shù)值模擬研究處于空白階段，現(xiàn)場試驗(yàn)也剛參考國外標(biāo)準(zhǔn)開始實(shí)施，但是實(shí)際上大型閥門企業(yè)幾乎都忽視空化問題的研究，對核工業(yè)等特殊領(lǐng)域遇到的特殊工況問題甚至選擇逃避，一般只以定期維護(hù)更換閥門裝置來獲取系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠性。但問題實(shí)際上仍然存在。

在設(shè)計(jì)涉及流場時應(yīng)用CFD 數(shù)值模擬技術(shù)［2］，具有比現(xiàn)場試驗(yàn)法更好的經(jīng)濟(jì)效益，借助CFD 軟件工具可以大大減少現(xiàn)場試驗(yàn)的次數(shù)，同時在最終設(shè)計(jì)定型時條件允許也可采用現(xiàn)場試驗(yàn)方式來驗(yàn)證最終的設(shè)計(jì)結(jié)果，降低了研發(fā)設(shè)計(jì)成本，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，快速響應(yīng)市場需求，對提高閥門產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。

1 調(diào)節(jié)閥孔板計(jì)算模型

調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)原理與流量測量的孔板相似，都具有局部阻力的特性。調(diào)節(jié)閥借助閥芯的往復(fù)運(yùn)動來改變其節(jié)流條件。因此，可以說調(diào)節(jié)閥是一個可變的節(jié)流元件；而其中所含孔板僅僅只是固定孔徑比的調(diào)節(jié)流量的元件。所以，我們將調(diào)節(jié)閥模擬成孔板的節(jié)流形式［3］，所建立的模型如圖1、圖2。

圖1 調(diào)節(jié)閥孔板計(jì)算模型

我們在試驗(yàn)管道的上游1 倍管徑處測得上游絕對靜壓力P1，下游0.5 倍管徑測得下游絕對靜壓力P2，運(yùn)行FloEFD 軟件進(jìn)行流場的數(shù)值模擬分析主要步驟如圖3。

圖2 調(diào)節(jié)閥孔板模型

圖3 數(shù)值模擬分析步驟

2 標(biāo)準(zhǔn)孔板的模擬結(jié)果及其分析

2.1 孔板模擬數(shù)值參數(shù)

根據(jù)調(diào)節(jié)閥關(guān)于流量試驗(yàn)裝置中關(guān)于試驗(yàn)段的尺寸規(guī)范，我們采用β=0.15孔徑比模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證孔板試驗(yàn)的正確性?？装宄叽绾蛿?shù)值模擬的相關(guān)參數(shù)有：孔板安裝管道的內(nèi)直徑尺寸D=100 mm，孔板內(nèi)直徑尺寸d=15 mm，E=4 mm，e=2 mm，α=0.267。

2.2 計(jì)算結(jié)果

2.2.1 孔徑比相同，雷諾數(shù)不同的壓力分布圖

通過對孔徑比相同，而雷諾數(shù)不同的模擬分析，我們可以得到的標(biāo)準(zhǔn)孔板模型在不同邊界雷諾數(shù)下的特征線上壓力分布圖，見圖4。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)孔板在不同雷諾數(shù)下壓力分布圖

從圖中我們發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)越大，壓差就越小。當(dāng)流體流經(jīng)孔板的孔口時，壓力值會急速下降，流到下游時，壓力值會更低，會產(chǎn)生一定的空化現(xiàn)象。所以我們得出，當(dāng)孔徑比β=0.15 時邊界雷諾數(shù)越大，產(chǎn)生壓差越大，空化數(shù)越小，從而液體空化程度越大，即空化現(xiàn)象越強(qiáng)烈。

2.2.2 雷諾數(shù)相同，孔徑比不同的壓力分布圖

分別取標(biāo)準(zhǔn)孔板的三種模型，即β=0.1，0.2，0.3，在相同雷諾數(shù)為10 000 時的壓力和速度矢量分布圖，見圖5。通過分析計(jì)算我們得到，當(dāng)β=0.1 時壓差ΔP為23 525 Pa，β=0.2 時壓差為1 645 Pa，β=0.3 時壓差ΔP為418 Pa。β=0.2 時比β=0.3 時的阻力大，由此可知，孔徑比越大所受的阻力就越小，也越不容易發(fā)生空化現(xiàn)象，反之則容易發(fā)生空化現(xiàn)象。

圖5 在不同孔徑比下的壓力分布和速度矢量圖

圖6 不同角度不同流量特性的開口孔板

3 V 型開口孔板的調(diào)節(jié)球閥的數(shù)值模擬及分析

3.1 模擬參數(shù)的設(shè)定

為了實(shí)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)球閥簡化模型實(shí)現(xiàn)線性控制和空化控制，我們采用DN50 加裝有不同流量特性的V 型開口孔板的調(diào)節(jié)球閥。如圖6 所示為3 組不同角度不同流量特性的開口孔板。

3.2 模擬計(jì)算結(jié)果

3.2.1 同一雷諾數(shù)下不同開度的流量特性

根據(jù)模擬研究我們發(fā)現(xiàn)，不同角度V 型開口孔板調(diào)節(jié)球閥在同一雷諾數(shù)和開度下的流量特性和流量系數(shù)的變化趨勢，開度越大，流量系數(shù)也會越大。我們由圖7 也可以發(fā)現(xiàn)，90°V 型開口孔板的球閥比30°V 型開口孔板的球閥在同一開度下，過流面積增大，從而流量系數(shù)也增大。

圖7 不同開度與流量系數(shù)的關(guān)系

3.2.2 同一雷諾數(shù)下不同開度的空化特性

圖8 不同開度與空化數(shù)的關(guān)系

3.2.3 不同V 型開口的云圖和矢量分布

圖9 不同角度V 型開口和不同開度下壓力和速度矢圖

由圖9 可知，我們發(fā)現(xiàn)V 型開口孔板的角度越小，在相同的開度下，下游部位縮流處流速越快，而壓力越小，此時越容易發(fā)生空化現(xiàn)象和振動噪聲的產(chǎn)生。從圖9 可以觀測并分析出在開口角度為60°時V 型孔板球閥所示云圖和矢量分布比較均勻且湍流較為平緩，壓差也較小，其抗空化的性能較好，且具有較好的流量特性。不會存在30°開口下發(fā)生的空化現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）通過對FloEFD 軟件的數(shù)值模擬的后處理結(jié)果如壓力矢量云圖可以得到，無邊是孔徑比β=0.15，還是β=0.1，0.2，0.3 等都可以精確地控制流量，并且處于一定孔徑比和要求流量下，可以借助孔板來調(diào)節(jié)流量，這種思路結(jié)合調(diào)節(jié)型球閥的流通特性，能夠設(shè)計(jì)出具有線性流通特性的孔板閥，而且能夠達(dá)到控制空化和流量的精確控制的目的。

（2）分析可以預(yù)判在30°孔板下存在空化現(xiàn)象且較為嚴(yán)重。但對于空化問題的控制在60°時流量線性控制，并且其空化數(shù)并未處于30°下的低空化數(shù)下，分析表明抗空化性能較佳。

［1］李淇陽.基于CFD 技術(shù)的調(diào)節(jié)閥流通性能及其內(nèi)部空化流的研究［D］.自貢：四川理工學(xué)院，2013.

［2］張師帥.計(jì)算流體動力學(xué)及其應(yīng)用：CFD 軟件的原理與應(yīng)用［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011：453.

［3］Grogger H A，Alajbegovic A.Calculation of the cavitating flow in venturi geometries using two fluid model［C］//Proceeding of ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting,Washington，D.C.，1998.