基于FLUENT的阀体流道气蚀现象研究与分析

张学领

摘要：气蚀现象是流体运动过程中的特有现象，特别是在高压大流量系统中，对流体控制元件有重大的影响。本文主要通过FLUENT软件在不同阀板开度以及不同阀口形状的情况下，对阀体内部流道进行仿真分析，得出气蚀对阀体内壁的影响，并提出了设计阀体流道的主要注意事项。

关键词：流道；气蚀FLUENT；分析

前言

随着工业技术的进步和发展，流体控制阀逐渐向高压、大流量方向发展。而伴随而来的就是设计工作者必须面对控制阀元件的气蚀现象。气蚀现象作为流体运动中的一种特有现象，首次由欧拉于1900年发现，此后许多科学工作者对其做了大量研究，并从不同方面对其产生机理得出了数种结论。这些结论有效指导了人们在工业应用中如何减少或避免气蚀现象对工件的损伤，其中对气蚀现象产生机理影响比较大的结论有冲击波机理、微射流机理、热化学机理、电化学机理等。

气蚀对流体控制阀有巨大的危害，它不仅会使阀在工作时产生振动和噪声，在严重时甚至会使内部元件的疲劳破坏，造成安全事故。因此，对控制阀气蚀现象的研究就对生产生活具有重大的现实意义。

1.阀体气蚀现象

气蚀是指流体在高速流动和压力变化条件下，与流体接触的金属表面上发生洞穴状腐蚀破坏的现象。由于大气压的作用，任何流体内部都会溶解一定的空气。当溶解的空气随着流体运动时，如果流体的压强低于液体蒸汽压，此时溶解的空气就会以气泡形式析出。当析出的气泡继续运动到流体压强较高的地方时，气泡就会被压溃，气泡的溃灭使气泡内所储存的势能转变成较小体积内流体的动能，使流体内形成流体冲击波。这种冲击波会造成阀体流道内部局部塑性变形，久而久之就会造成局部材料疲劳剥裂。由于流体内部有细微颗粒的杂质，在冲击波的作用下，其会获得一定的动能，冲击流道内壁，从而加剧内壁腐蚀速度。

阀类零件作为流体系统的控制元件，通常是前端压力高于后端压力，而其内部压力变化最剧烈的地方则出现在阀板位置。这是因为在阀板位置，流通面积减少，而如果通过相同流量的话就必然流体速度增大，而流体速度的增大则会造成流体压强的下降。图1显示了流体通过阀板前后的压力变化情况。图2显示了阀体气蚀现象产生过程图。

图1 流体经过阀板压力示意图

图2 气蚀现象产生过程图

2.阀体流道仿真与建模

2.1待分析阀原理介绍

图3显示为本文所分析的主阀示意图。该阀通过外置先导阀控制阀板的开启，弹簧起复位和设定最小开启压力作用。根据工作要求，先导阀会在初始时设定主阀开启压强Po，当主阀进口压强P1产生的作用力大于主阀上腔压强Po产生的作用力与弹簧的初始预紧力之和时，阀板会向上运动，使主阀开启。由于主阀的开启使得流体作用在阀板上向上的作用力减小，当其产生的作用力和阀腔上端与弹簧共同产生的反作用力达到平衡时，阀板维持在一定位置，系统达到平衡状态。

2.2阀体流道及网格划分

图4所示阀体三维剖视图和内部流道剖视图，其中内部流道剖视图为阀板开启高度10mm时的三维剖面图。本文采用ANSYS系列软件中的ICEM进行网格划分，流道内部采用四面体网格，流道表面建立边界层，边界层厚度为1mm。如图5所示，其中网格单元数量为444207个，节点数量为107438个。

2.3计算条件

本文采用FLUENT软件对阀体流道内部流体进行分析。根据计算流体力学理论，采用以下假设：①流体介质为自来水，其计算参数如表1所示；②流体为不可压缩的牛顿流体；③流动状态为湍流，计算采用标准的k-ε模型；④计算采用压强入口和压强出口形式。

3.结果分析

图6中显示了阀板为平面时的压强和速度分布图。从中压强分布图可以看出，当流体通过阀口时，会在阀体截面变换处产生负压，此时溶解在流体内部的空气会析出。当流体经过阀口继续向出口运动时，压力逐渐升高，此时析出的气泡会在压力作用下压溃，从而对阀体造成影响。从流速分布图可以看出，流体会在阀体近出口的底部部位形成旋涡，从而产生噪声和对阀体产生冲刷，影响阀体的使用寿命。

图6 阀板为平面时压强和速度分布图

图7显示了阀板为锥形时的压强和速度分布图。与图6进行对比，发现锥形阀板明显改善了阀体流道的压强分布，提高了流体经过阀板时的压强，使气泡析出的难度增大。从速度云图上可以发现，流体经过阀板后，在流体中间部位形成旋涡，减少了对阀体底部的冲刷作用，能提高阀体的使用寿命。

图8显示了将阀口降低后的压强和速度分布图。与图6进行对比，降低阀口高度也能改善阀体流道的压强分布，提高了流体经过阀板时的压强，使气泡析出的难度增大。从速度云图上可以发现，流体经过阀板后，很快形成旋涡，会对阀板及阀座造成一定的影响，影响阀的使用性能，但是从提高阀体使用寿命来看，它是有利的。

对比图7和图8的结果可知，将阀板改成锥形时，流道方向的改变从直角变成钝角，改善了流体的流动特性，因此在设计阀体时，就要尽量避免流道方向的突然改变，最好的选择是将阀体上端出口轴线与水平方向设计成锐角，并向出口方向倾斜。

4.结论

对于阀体的设计，在实际工作中往往是各种因素的综合考量和取舍，比如材料、工况等。本文仅从理论方面对阀体进行了理论分析，得出了设计阀体时应注意的几个要点，对实际工程应用具有一定的指导意义。以下是在阀体的设计过程中应该注意的几个要点：

4.1流道方向的改变应避免急剧变化，流道截面变化应平缓。

4.2流道应采用圆角过渡，避免设计成锐角。

4.3流道尽量避免有凸起或凹槽。

参考文献：

[1]J.D. Aderson.计算流体力学入门[M].

[2]李人宪.有限体积法基础[M].北京：国防工业出版社.

[3]庄礼贤.流体力学[M].