唐 越 門正興 郝 煒 袁品均 李 斌

(成都航空職業(yè)技術學院， 四川610021)

超臨界調(diào)節(jié)閥接管空蝕磨損預測研究

唐 越 門正興 郝 煒 袁品均 李 斌

(成都航空職業(yè)技術學院， 四川610021)

超臨界調(diào)節(jié)閥閥門后續(xù)接管系統(tǒng)出現(xiàn)沖蝕性破壞，本文應用CFD方法對接管部分流場進行了空化數(shù)值模擬，分析了產(chǎn)生沖蝕性破壞的原因，并且提出了一種預測沖蝕率的方法。

調(diào)節(jié)閥；空化數(shù)值模擬；空蝕；沖蝕性破壞

超臨界調(diào)節(jié)閥用于對某電廠儲水罐管路系統(tǒng)中高溫高壓流場的調(diào)壓和調(diào)速，當管路系統(tǒng)中的工作介質(zhì)流進某一區(qū)域，這一區(qū)域的壓強低于該介質(zhì)的飽和蒸氣壓時，該區(qū)域中原來溶解在水中的氣泡就會不斷長大，這就是空化現(xiàn)象。隨著空化的不斷進行，氣泡不斷形成和長大，單一介質(zhì)的液流甚至可能變成氣液兩相流，并且因為整體液流密度的減小，速度必然急速增大，對后續(xù)的接管系統(tǒng)產(chǎn)生沖蝕性破壞，這就是空蝕現(xiàn)象。近年來，空蝕已成為一門重要的工程交叉學科，人們對其各個方面都展開了研究，包括空蝕機理[1-3]、實驗研究[4-6]、空蝕預測[7-9]、數(shù)值模擬[10-12]等方向。

在工程實踐中，對空蝕的研究往往集中于螺旋槳、蒸汽輪機等，對閥門的空蝕研究還比較少。本文應用CFD軟件CFX對閥門接管空化流場進行了數(shù)值模擬，分析了產(chǎn)生沖蝕性破壞的原因，提出一種預測沖蝕率的方法。

1 接管空化流場數(shù)值模擬

1.1 空化數(shù)學模型

在連續(xù)流動介質(zhì)動力學基礎上，一般的CFD軟件都是通過求解不同維數(shù)的動量守恒方程得到未知量。動量守恒方程即N-S方程是由納維(Navier)和斯托克斯(Stokes)于19世紀中期建立并提出的描述流體動量守恒的偏微分方程，與質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程一起構(gòu)成了描述流體運動規(guī)律的封閉方程組[13]。

湍流模型選用k-ε兩方程模型。k和ε分別是基于湍流動能和擴散率。假設不論空泡在膨脹或是收縮時，始終保持球形，Rayleigh-Plesset方程在此假設的基礎上指明了空泡膨脹和收縮的基本規(guī)律:

(1)

空泡體積變化率為：

當pv-p>0時

(2)

pv-p<0

(3)

空泡質(zhì)量變化率為：

當pv-p>0時

(4)

pv-p<0

(5)

式中，E為經(jīng)驗系數(shù)，E值在空泡收縮和膨脹時的值有所不同；Rnuc為介質(zhì)內(nèi)部晶核的半徑；rnuc為介質(zhì)內(nèi)部晶核體積分數(shù)；rg為單位體積空泡的體積分數(shù)；ρg為氣體密度。

根據(jù)工程實踐和大量實驗，空化模型中的各參數(shù)為：Rnuc=1 μm，rnuc=5e-4，膨脹和收縮時E的值分別為Evap=50，Econ=0.01。

1.2 邊界條件設定和求解控制

研究對象為調(diào)節(jié)閥接管管路，建立管路系統(tǒng)部分流體域模型，如圖1所示。

圖1 接管模型圖

調(diào)節(jié)閥接管的空化現(xiàn)象是在一定的工況下形成的，入口、出口壓強分別為1.96 MPa、0.5 MPa，溫度為212℃。啟動CFX前處理質(zhì)量傳遞模塊進行空化模擬參數(shù)設置。在中剖切面上加載對稱約束。所有控制方程采用二階高精度差分格式求解。計算完成之后，輸出相關壓力、體積分數(shù)、質(zhì)量分數(shù)和速度矢量圖。

2 空化作用下造成的沖蝕磨損預測

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2壓力分布圖中可以看出，2號區(qū)域壓力保持在一定范圍之內(nèi)，由圖3可知，此區(qū)域是空化發(fā)生的區(qū)域，3號區(qū)域是一個過渡區(qū)域，壓力逐漸降低段，空化也在繼續(xù)發(fā)展，到直角轉(zhuǎn)彎段，流場壓力迅速降低。由圖4可知，在此區(qū)域，接管管路系統(tǒng)中的介質(zhì)已經(jīng)從單一的液體介質(zhì)變?yōu)闅庖簝上嗷旌辖橘|(zhì)。由圖5速度矢量圖可知，混合介質(zhì)的速度也急劇增加，介質(zhì)中夾帶大量氣泡或液滴，勢必對后續(xù)管路系統(tǒng)造成嚴重的沖蝕破壞。圖6即為同類型的調(diào)節(jié)閥管路系統(tǒng)空蝕磨損的一種情況，由圖6中可以看出，磨損區(qū)域呈蜂窩狀，越到中心區(qū)域磨損越厲害。

圖2 壓力分布圖

圖3 體積分數(shù)分布圖

圖4 質(zhì)量分數(shù)分布圖

圖5 速度矢量圖

2.2 空蝕磨損預測

空化后引起的空蝕現(xiàn)象是一個很復雜的過程，它涉及多個領域和學科，至今沒有一套相當完備的理論來解釋它的整個過程和所有細節(jié)?，F(xiàn)今多采用實驗來研究此種行為，而且只是限定在某些材料范圍之內(nèi)，空化的實驗條件比較苛刻，對實驗結(jié)果影響也很大?？瘴g數(shù)值模擬預測與失質(zhì)法相聯(lián)系，具有周期短、成本低等特點，可以在一定程度上預測沖蝕率的大小，為空蝕磨損研究提供一定的參考。常用的表征沖蝕程度的方法有失質(zhì)法、失體法、面積法、時間法、深度法、蝕坑法等。

失質(zhì)法表示在單位時間內(nèi)空蝕所造成的磨損量的多少。Briscoe[14]等人研究了氣液流沖擊壓力和沖蝕的關系，得到了沖蝕率公式：

圖6 某管路系統(tǒng)沖蝕磨損情況

圖7 出口速度矢量示意圖

(6)

參考Edwards的文獻[17]，C(d)取值為1.8e-9。此模型在計算管道的沖蝕磨損率方面顯示了它的優(yōu)點，經(jīng)研究表明，在材料為塑性材料，沖擊角為直角時，f(α)取值為0.4。對于速度函數(shù)的取值，Heitz[18]研究并且總結(jié)了b(v)值隨各種參數(shù)的變化情況,忽略化學方面造成的損傷，b(v)取值為0.8，根據(jù)以上條件及出口處截面的平均速度，可以預測磨損總量。出口速度矢量示意圖如圖7所示。出口平均速度為：

(7)

將所有參數(shù)帶入式(7)，可以大致預測磨損的速率，在對空蝕現(xiàn)象進行具體的理論或者實驗研究之前，進行上述所示的空蝕磨損預測，將對接下來的工作具有一定的參考作用。

3 結(jié)論

(1) 基于空化數(shù)值模擬的數(shù)學模型和控制方程，對某調(diào)節(jié)閥接管空化流場進行了數(shù)值模擬，得到了產(chǎn)生空蝕破壞的原因。

(2) 根據(jù)數(shù)值計算的結(jié)果，提出了一種預測空蝕磨損速率的方法，此種方法對于空蝕的理論或者實驗研究有一定的參考作用。

[1] Hattori.S, Takinami.M. Comparison of cavitation erosion rate with liquid impingement erosion rate[J].Wear, 2010, 269(3): 310-316.

[2] Xu W.L, Qin.L.W, Chen.H, et.al. Water erosion mechanism of mild carbon steels induced by micro-particles[J]. Chinese Science Bulletin, 2010, 54(24):4577-4582.

[3] Zhao.R, Xu R-Q, Liang Z-C, et.al. Mechanism of cavitation erosion by single laser-induced bubble collapsing near solid boundary[C]. Proceeding of SPIE, the international society for optical engineering, 2009,paper No. 750803.

[4] Xu.W, Wang J, Qiu L, et.al. Investigation of erosion damages induced by wet stream containing micro-particles[J]. Tribology Letters, 2010, 39(2):115-120.

[5] Jing L, Jian L. Erosion characteristics in ultrasonic cavitation[C]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2009, 223(7):985-991.

[6] Wang J, Qin L, Liu S, et.al. Experimental study and analysis on incipient stage of cavitation erosion[C].Proceeding of the ASME/STLE International Joint Tribology Conference, 2008, 913-915.

[7] Ferrari.A. Modeling approaches to acoustic cavitation in transmission pipelines[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 53(20): 4193-4203.

[8] Hattori.S, Hirose.T, Sugiyama.K. Prediction method for cavitation erosion based on measurement of bubble collapse impact loads[J]. Wear, 2010, 269(7): 507-514.

[9] 劉宜，趙希楓，齊學義，等. 離心泵空蝕湍流的非定常數(shù)值模擬[J]. 蘭州理工大學學報，2008，34(3)：44-47.

[10] Ji B, Luo X, Wu Y, et.al. Numerical and experimental study on unsteady shedding of partial cavitation[J].Modern Physics Letters B, 2010, 24(13):1441-1444.

[11] 李翠，厲彥忠. 低溫流體經(jīng)過彎管時的空化現(xiàn)象分析[J]. 低溫工程，2008，162：4-9.

[12] Dular M, Coutier-Delgosha.O. Numerical modeling of cavitation erosion[C]. Proceedings of the ASME Fluids Engineering Division Summer Conference, 2008: 15-22.

[13] 何秋良. 石化工業(yè)管道典型部件沖蝕破壞預測的CFD模擬研究[D]. 浙江大學, 2004.

[14] Briseoe,B.J.Piekles,M.J,JulianK.S.and Adams MJ.Erosion of Polymer-Particle Composite coatings by liquid water jets[J].Wear203-204:88-97.

[15] J. K. Edwards. Evaluation of Alternative Pipe Bend Fittings in Erosive Service Proceedings of ASME FEDSM[J].ASME 2000 Fluids Engineering Division Summer Meeting, Boston, June 2000.

[16] Heitz E.Electrochimica Acta[J].1996,41(4):503.

編輯 陳秀娟

Research on the Prediction of Cavitation Erosion and Abrasion of Supercritical Control Valve Connecting Pipe

Tang Yue, Men Zhengxing, Hao Wei, Yuan Pinjun, Li Bin

The erosion damage occurred in the connecting pipe system behind the supercritical control valve. In this paper, the CFD method has been used to perform the numerical simulation for the cavitation of the flow field of the connecting pipe and the reasons for erosion damage have been analyzed and a method to predict the erosion rate has been presented.

control valve; numerical simulation of cavitation; cavitation erosion; erosion damage

2016—11—21

唐越(1989—)，男，助教，工學碩士。主要從事流體力學模擬與仿真分析，機械結(jié)構(gòu)應力應變分析，機械幾何量檢測方面的研究和應用。

TH137.5

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