唐 越 門正興 郝 煒 袁品均 李 斌

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川610021)

超臨界調(diào)節(jié)閥接管空蝕磨損預(yù)測研究

唐 越 門正興 郝 煒 袁品均 李 斌

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)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(yīng)用CFD方法對接管部分流場進(jìn)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(yù)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(dāng)管路系統(tǒng)中的工作介質(zhì)流進(jìn)某一區(qū)域，這一區(qū)域的壓強(qiáng)低于該介質(zhì)的飽和蒸氣壓時(shí)，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(jìn)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?yàn)檎w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(xué)科，人們對其各個(gè)方面都展開了研究，包括空蝕機(jī)理[1-3]、實(shí)驗(yàn)研究[4-6]、空蝕預(yù)測[7-9]、數(shù)值模擬[10-12]等方向。

在工程實(shí)踐中，對空蝕的研究往往集中于螺旋槳、蒸汽輪機(jī)等，對閥門的空蝕研究還比較少。本文應(yīng)用CFD軟件CFX對閥門接管空化流場進(jìn)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(yù)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(xué)模型

在連續(xù)流動介質(zhì)動力學(xué)基礎(chǔ)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(jì)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(yùn)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(kuò)散率。假設(shè)不論空泡在膨脹或是收縮時(shí)，始終保持球形，Rayleigh-Plesset方程在此假設(shè)的基礎(chǔ)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(dāng)pv-p>0時(shí)

(2)

pv-p<0

(3)

空泡質(zhì)量變化率為：

當(dāng)pv-p>0時(shí)

(4)

pv-p<0

(5)

式中，E為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，E值在空泡收縮和膨脹時(shí)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?jǐn)?shù)；rg為單位體積空泡的體積分?jǐn)?shù)；ρg為氣體密度。

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

1.2 邊界條件設(shè)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(qiáng)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(jìn)行空化模擬參數(shù)設(shè)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(jì)算完成之后，輸出相關(guān)壓力、體積分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和速度矢量圖。

2 空化作用下造成的沖蝕磨損預(yù)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(gè)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(yán)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?jǐn)?shù)分布圖

圖4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖

圖5 速度矢量圖

2.2 空蝕磨損預(yù)測

空化后引起的空蝕現(xiàn)象是一個(gè)很復(fù)雜的過程，它涉及多個(gè)領(lǐng)域和學(xué)科，至今沒有一套相當(dāng)完備的理論來解釋它的整個(gè)過程和所有細(xì)節(jié)。現(xiàn)今多采用實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件比較苛刻，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響也很大。空蝕數(shù)值模擬預(yù)測與失質(zhì)法相聯(lián)系，具有周期短、成本低等特點(diǎn)，可以在一定程度上預(yù)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(shí)間法、深度法、蝕坑法等。

失質(zhì)法表示在單位時(shí)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(guān)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(xiàn)[17]，C(d)取值為1.8e-9。此模型在計(jì)算管道的沖蝕磨損率方面顯示了它的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)研究表明，在材料為塑性材料，沖擊角為直角時(shí)，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(xué)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(yù)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(yù)測磨損的速率，在對空蝕現(xiàn)象進(jìn)行具體的理論或者實(shí)驗(yàn)研究之前，進(jìn)行上述所示的空蝕磨損預(yù)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(xué)模型和控制方程，對某調(diào)節(jié)閥接管空化流場進(jìn)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(jì)算的結(jié)果，提出了一種預(yù)測空蝕磨損速率的方法，此種方法對于空蝕的理論或者實(shí)驗(yàn)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(xué)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(xué)學(xué)報(bào)，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(shí)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(yù)測的CFD模擬研究[D]. 浙江大學(xué), 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(xué)碩士。主要從事流體力學(xué)模擬與仿真分析，機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析，機(jī)械幾何量檢測方面的研究和應(yīng)用。

TH137.5

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