基于CFX的调节阀空化数值模拟及结构优化

2021-12-21李连翠王周杰龚胜泉刘春玲

动力工程学报 2021年12期

李连翠，王周杰，张含，龚胜泉，刘春玲

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

调节阀是过程工业(如电力、能源和石油化工等行业)装备中必不可少的一种调节流量和压力的设备，且随着过程工业向高参数、大型化、高要求方向发展，与之配套的调节阀也向高参数、大型化、高可靠性等方向发展。核电站系统中的调节阀亦是如此，高压差、高流速工况下阀门容易发生空化，从而对阀门的关键部件造成损伤，最终导致阀门密封失效或者调节功能失真，同时还会产生很大的噪声和振动，甚至严重影响与阀门相连接的管道的使用寿命。因此，调节阀抗空化设计一直是核电站阀门国产化进程中的难点[1]。

学者及工程技术人员常用工程经验、试验或者数值模拟的方法来研究调节阀内部空化原理及危害，并对阀门进行了相应的改进[2-9]，以提高调节阀的抗空化能力，进而提高阀门的调节精度和使用寿命。在多数工况下，阀门内部空化很难完全避免。目前大部分的防空化研究成果能够有效地减少空化的总量，但不一定能够避免或者减轻空化对阀门关键部位(如密封面和套筒调节阀窗口等)的空化损伤。

笔者以某核电站调节阀为研究对象，采用CFX软件对该阀门结构优化前后的空化情况进行数值研究，重点对比分析了结构优化前后空化位置转移的情况以及阀门关键部位的空化率变化情况。

1 空化原理

液体流经阀门等节流元件时，由于流道节流作用，流体介质速度增大的同时静压降低。当静压低于介质的饱和蒸汽压pv时，介质开始汽化，形成空泡；静压回升至pv后，空泡发生溃灭，这就是空化现象。空化不仅损坏阀门本体，还会产生噪声，引起设备振动。在高参数阀门的实际工程应用中，最常见的防空化方法就是多级降压，利用多级节流降压元件来逐级降低压力，使介质静压尽可能地高于饱和蒸汽压pv，从而彻底消除或减弱空化现象(见图1，其中p1、p2为阀前和阀后压力，v1、v2为阀前和阀后水的速度)[1]。国内外常见的阀内多级节流元件包括多级套筒结构、多级阀芯结构和迷宫式结构3种[9]。

图1 单级、多级降压示意图

2 计算模型建立

2.1 控制方程

2.1.1 流体控制方程

流体的流动过程遵循相应的控制方程，即连续性方程、动量方程和能量方程。数值模拟建立在以上流体力学基本控制方程的基础上，使用CFX 软件求解流场内的离散解。为了方便采用同一程序对各控制方程进行求解，以上控制方程可用如下的通用形式表示：

(1)

式中：t为时间；ρ为流体密度；φ为通用变量；u为速度或温度等；Γφ为广义扩散系数；S为广义源项。

2.1.2 空化模型

根据混合规则，水和水蒸气的混合密度公式为：

(2)

式中：φ为蒸汽体积分数，可由连续性方程式(3)求解；ρm为混合密度；ρg为水蒸气密度；ρl为水的密度。

(3)

式中：V为混合流体的速度矢量；Γ为扩散系数；参数M可以由Rayleigh-Plesset空化模型(方程式(4))求解得到。

sgn(pv-p)

(4)

2.2 几何模型与网格划分

针对核电站中某型号调节阀最高运行参数工况的空化进行模拟研究，并进行了结构优化前后的对照分析。为计算方便、节省计算时间，在不影响计算结果的前提下，对从3D模型中抽取的流道合理简化以适应数值模拟；为增加计算的稳定性，在几何模型的进出口分别增加适当长度的直管段；考虑到抽取流道结构的不规则性，阀体流道腔内都采用四面体网格；为了保证计算的网格无关性和计算精度，在套筒开孔、阀座开孔和密封面等局部尺寸较小或者尺寸变化剧烈的地方进行网格加密处理。从表1可以看出，与网格数850万的算例相比，当网格数为1 606万时，阀门流道内空化率相差0.42%(<1%)，可以认为网格数为850万时已经实现网格无关性求解，最小网格尺寸为0.5 mm。进出口延长管道结构简单，所以被划分成六面体的结构化网格，2种类型的网格通过Interface进行连接，这样既能保证网格质量，又能有效降低网格数，提升计算速度。最终确定网格数为850万。

表1 网格无关性计算结果

2.3 基本假设与边界条件

阀门进出口直径均为282 mm。阀门最高运行参数工况如下：进口绝对压力为8.82 MPa，出口绝对压力为0.21 MPa，入口介质质量流量为444.44 kg/s，介质温度为121 ℃，此温度下水的饱和蒸汽压为0.204 85 MPa。根据阀门内部结构和流动特点可知，进口处的雷诺数最小。把阀门进口直径、介质物性参数和流量参数代入雷诺数计算公式，计算得到最小雷诺数Remin=8.6×106，因此阀门流道内部介质流动皆为湍流。

计算中采用的空化模型为Rayleigh-Plesset空化模型。为了能够以较小的计算代价保证较高的计算精度，湍流模型采用k-ε湍流模型[10]，可使得介质的空化流方程组封闭。为了考虑焓和湍动能对流场的影响，本文中的算例选用Total Energy模型作为换热模型。网格、交界面以及边界条件见图2。

图2 网格、交界面以及边界条件

IAPWS-Library数据库包含了动力黏度、导热系数和表面张力等比较完整的参数计算公式和选择依据。根据IAPWS-Library数据库可准确获得该状态下水或水蒸气的物性参数，使得调节阀内水蒸气流动的CFD计算更加准确。笔者采用的CFX商用软件集成了IAPWS-Library数据库，介质水的所有空化模拟参数均直接从该数据库选取，可靠省时[11]。

3 数值计算结果与分析

选取2个典型截面来分析阀门的流场或空化情况(见图3)。因为套筒开口并不是严格的轴对称结构，所以该处的阀体对称面称为中轴面；阀芯密封线所在的横截面称为截面1。

图3 截面位置示意图

3.1 原始设计阀门结构的空化流动分析

调节阀内部流场如图4所示。由图4(a)可知，进口端的高压介质流经套筒节流孔后，压力急速降低，之后随着介质速度的降低，压力有所升高。而在流经阀座小孔后，压力再次明显降低，即压力较低的区域主要集中在阀门节流套筒出口及阀体腔的下半部。水在流经这2个区域时压力低于其饱和蒸汽压pv，因此空化区域也主要集中在这2个区域，局部空化的水蒸气体积分数达到99%以上(见图4(b))。通过对计算结果处理后可知，整个阀门流道内的水蒸气总体积分数达到18.87%。空化对阀门的损伤主要发生在上述2个区域。如图4(c)和图4(d)所示，阀芯密封线附近出现了比较严重的空化现象(局部空化的水蒸气体积分数达到95%以上)，这会加速阀门密封面的损伤，降低阀门的密封性能及缩短阀门的使用寿命。

(a)中轴面压力分布

3.2 结构优化及分析

当阀门出口压力与介质饱和蒸汽压pv非常接近时，在介质快速流动过程中，阀门内部的空化现象很难避免。目前对阀门关键部位的防空化作用研究相对较少，笔者针对某核电站调节阀内不可避免的空化问题进行模拟分析和结构优化，提出了双层阀座结构，改变了空化发生的位置，有效降低阀芯密封线附近和套筒开口部位的空化率，把发生空化的区域从关键零部件部位转移到非关键零部件部位或者减弱关键零部件部位的空化程度，从而有效地保护关键部件，使其免受或减弱空化损伤。

本文所研究阀门的出口压力与水的饱和蒸汽压pv非常接近，阀门内部空化现象很难避免。基于以上数值计算和理论分析，笔者在笼式阀座外侧增加1层笼罩(见图5)，2层笼罩底部通过焊接固定相对位置(见图6)，通过多级降压原理可以降低阀门流道内的空化率；把笼罩加在笼式阀座外侧，还可使套筒出口位置的压力有所升高，从而降低阀芯密封线位置的空化率。

图5 优化前后的阀座结构对比

图6 优化后的结构与原有结构之间的连接关系示意图

笼罩与笼式阀座的开孔率及其环向分布规律均相同，且都远大于套筒开孔率。在研究过程中分别计算了笼式阀座小孔与笼罩小孔正对布置(记为Case1)和错位布置(记为Case2)2种情况流道内水蒸气总体积分数分布(见图7和图8)。

进一步分析3种模型在流道内不同位置的水蒸气体积分数(见表2)。与原始模型相比：Case1和Case2流道内水蒸气总体积分数分别减小了38.31%和1.8%；Case1和Case2中轴面水蒸气体积分数分别减小了46.05%和11.62%；Case1和Case2截面1水蒸气体积分数分别减小了15.75%和28.43%。

表2 不同模型在不同位置的水蒸气体积分数

相较于原始模型，优化后阀门空化程度明显改善，然而Case2流道内水蒸气总体积分数比Case1流道内水蒸气总体积分数高36.51%，Case2阀芯密封线所在横截面(即截面1)处的空化率却比Case1相同位置的空化率低12.68%。这相当于部分空化量从关键的阀芯密封线附近向笼罩阀座处转移(见图4、图7和图8)，这是由于Case2的笼罩小孔与笼式阀座小孔错位布置，与Case1相比相当于多了一级降压结构。在总压降不变的情况下，Case2在笼式阀座部位的压降更大，阀芯密封线位置压力相对较高，因而空化率较低。