截止閥內(nèi)流道空化形態(tài)演變規(guī)律及空蝕損傷試驗研究

黃立華 ，王江云 ，2，侯琳倩 ，楊矞琦

（1.中國石油大學（北京） 克拉瑪依校區(qū)，新疆克拉瑪依 834000；2.過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102249）

0 引言

空化現(xiàn)象在石油化工流體設備中普遍存在，流體流經(jīng)節(jié)流元件時，流速增加，局部壓力降低，當局部壓力小于介質(zhì)飽和蒸汽壓時，流體內(nèi)溶解的氣核會迅速生長，并發(fā)展成氣泡，產(chǎn)生空化?？栈^程的高湍流及能量釋放具有兩面性，一方面流體空化會造成設備空蝕，導致流體機械損壞［1-2］，另一方面可以利用水力空化瞬間集聚的高能量為工業(yè)提供非常特殊的高溫高壓環(huán)境［3］，研究水力空化對提高流體設備壽命以及新興技術(shù)發(fā)展有著積極意義。蔡宗航等［4-7］利用高速攝影技術(shù)研究了文丘里管內(nèi)部空化過程小氣泡脫落、尾部氣泡脫落及云空化脫落等微觀流動，結(jié)果表明隨迎水面坡角角度增加，文丘里管內(nèi)空化強度增加。李博等［8］通過流場可視化、壓力采集、數(shù)值模擬對圓形截面的剛性管和彈性管內(nèi)的單空泡和雙空泡行為開展了研究，建立了管道內(nèi)一次空化和二次空化過程空化位置和周期的關(guān)系。李顥鈺等［9］用高速攝像技術(shù)研究空化氣泡半徑、無量綱距離、環(huán)境圍壓對空化泡潰滅微射流流速、潰滅壓強的影響，得出空化泡潰滅微射流沖擊壁面的最大速度隨無量綱距離增加而減小，隨空化泡半徑增加而增加。壁面最大壓強隨無量綱距離增大而增大。史周浩等［10-11］在NACA翼型空化區(qū)增加局部微通道有效降低空化強度，減小空化誘導的結(jié)構(gòu)振動。SHIN等［12-15］通過流場可視化分別研究了閥門和離心泵振動、空化損傷與空化強度之間的關(guān)系，試驗表明空化狀態(tài)下閥芯、離心泵振動、出口壓力波動明顯大于無空化狀態(tài)時，空化損傷隨空化強度增加而增加。

氣液兩相水力空化與流道結(jié)構(gòu)以及流場穩(wěn)定性相關(guān)，現(xiàn)有試驗研究多采用文丘里管、旋轉(zhuǎn)圓盤、管道、葉輪等對稱結(jié)構(gòu)作為空化流道結(jié)構(gòu)，且多為穩(wěn)定流態(tài)下的空化機理研究，未見對復雜流道的瞬態(tài)空化機理研究。石油化工行業(yè)常用的角閥、直通單（雙）座閥、套筒閥等節(jié)流元件流道均為非對稱結(jié)構(gòu)，空蝕是影響其壽命和調(diào)節(jié)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，研究其空化機理有助于提高該類流體設備的性能。結(jié)合閥門流道結(jié)構(gòu)設計了上、下凸圓非對稱結(jié)構(gòu)空化腔，對其流體繞流及空化發(fā)展過程進行詳細分析，考察了不同空化狀態(tài)下狹縫流速、空化指數(shù)之間的關(guān)系；采用高速攝像機觀察了不同空化狀態(tài)下非穩(wěn)定流場氣泡的演變過程及流動特性，為閥門非定?？栈^程及閥門空蝕損傷分析提供理論基礎(chǔ)。

1 空化試驗方法

1.1 試驗裝置

截止閥作為流體控制設備被廣泛應用于石油化工行業(yè)，它是通過調(diào)節(jié)閥芯與閥座間隙，改變閥的阻力系數(shù)，完成流量調(diào)節(jié)。流體從入口管段流經(jīng)閥芯與閥座構(gòu)成的狹縫到達出口管段，流體在流經(jīng)閥芯與閥座構(gòu)成間隙處易發(fā)生空化現(xiàn)象。試驗裝置結(jié)合直通式和直流式截止閥結(jié)構(gòu)并參考KREALLA等［16］設計的突變流道空化裝置，設計了如圖1所示的空化腔結(jié)構(gòu)，視窗采用透明玻璃樹脂。裝置流程如圖2所示［17］。

圖1 空化腔結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of cavitation cavity

圖2 試驗裝置流程Fig.2 Flow chart of experimental device

試驗介質(zhì)為自來水，空化腔前、后壓力調(diào)節(jié)范圍為 -0.04～0.7 MPa，流量測量范圍為 0～50 m3/h，管道直徑為DN80。采用高速攝像技術(shù)實現(xiàn)氣泡演變過程可視化，高速攝像機型號為5F01M，其最高拍攝刷新速率為2 000 FPS，圖片分辨率1 280×1 024，試驗以2 000 FPS采樣速率記錄臨界空化和泡狀空化，以1 000 FPS記錄云狀空化和超空化狀態(tài)。LED光源和攝像機分別位于空化腔兩側(cè)。通過試驗證明上、下凸圓（Ⅰ，Ⅱ區(qū)域）的狹縫寬度δ越小，產(chǎn)生空化能力越強，但狹縫寬度δ對空化狀態(tài)分界點影響不大［18-20］。試驗中采用固定的狹縫間隙，其間距 δ =3 mm，上、下凸圓半徑R=9 mm。圖中上凸圓Ⅰ后方陰影區(qū)域為空蝕靶區(qū)。

1.2 試驗方法

首先高位水箱注入1.2 m3自來水靜置12 h脫氣，水溫恒定40 ℃，預置入口調(diào)節(jié)閥開度50%、出口調(diào)節(jié)閥開度40%。啟動離心泵，逐步減小進口調(diào)節(jié)閥開度，獲取不同入口流量，同時減小出口調(diào)節(jié)閥開度，確保介質(zhì)流動處于滿管流動。流量穩(wěn)定30 s后，記錄空化腔前后壓力，并利用高速攝像機觀察空化腔內(nèi)瞬態(tài)空泡演變過程。調(diào)節(jié)入口調(diào)節(jié)閥開度，改變狹縫處介質(zhì)流速，形成不同空化狀態(tài)。試驗中水的流量范圍為0.88～25.33 m3/h，根據(jù)上、下凸圓幾何參數(shù)計算得到流經(jīng)狹縫水的流速為2.72～77.97 m/s，狹縫處介質(zhì)流速是管道內(nèi)介質(zhì)流速的10倍。

2 空化腔內(nèi)空化演變規(guī)律分析

2.1 空化狀態(tài)識別

空化腔進、出狹縫壓力及流量參數(shù)變化規(guī)律見表1。由表可見，隨流量增加進口壓力增加，流體經(jīng)狹縫節(jié)流作用后，水的流速增加，出口壓力降低。空化腔前、后壓差隨進口流量增大而增加，當狹縫后流體壓力小于當?shù)亓黧w飽和蒸汽壓時出現(xiàn)空化現(xiàn)象，并隨流量增大空化強度增加。

表1 空化流量參數(shù)變化規(guī)律Tab.1 Variation law of cavitation flow parameters

隨著流量的改變，氣泡呈現(xiàn)出了初生、發(fā)展、聚并、潰滅的特性，進而使流體表現(xiàn)出不同的空化狀態(tài)。為了探究不同流量下空腔的空化狀態(tài)，結(jié)合高速攝像機拍攝所得空化狀態(tài)把空化腔內(nèi)空化狀態(tài)分為臨界空化、泡狀空化、云狀空化及超空化4種狀態(tài)，如圖3所示。當流量接近1.38 m3/h時，空腔內(nèi)產(chǎn)生了微小的空化泡，即氣核或空化核，此時為空化形成的臨界狀態(tài)（試驗管路中存在一定細小雜質(zhì)，氣核與雜質(zhì)共存）。當流量增大至1.89 m3/h時，氣核周圍水的壓強減小，氣核內(nèi)壓強增加，使氣核體積增大，形成非常顯著的空化泡，此時的空化狀態(tài)稱之為泡狀空化，如圖3（b）所示。由圖2（b）可以看出，在氣液兩相流體流動過程中，小氣泡會碰撞團聚形成較大的空化泡團。當流量增大至5.66 m3/h時，流體的湍流強度增大，液相壓強明顯大于空泡內(nèi)壓強，導致大空泡不斷破碎形成許多的微小空泡，出現(xiàn)云狀空化如圖3（c）所示。當流量大于20.54 m3/h時，出現(xiàn)超空化，如圖 3（d）所示。

圖3 不同流量時空化腔內(nèi)空化狀態(tài)Fig.3 Cavitation state in spatiotemporal cavity with different flow rates

隨著流量增加，狹縫處過流速度增加，入口、出口壓差增大，空化作用加強?？栈涣髁?、前后壓力與空化狀態(tài)關(guān)系如圖4所示，出入口壓差隨流量增加呈現(xiàn)出S形曲線，非空化到泡狀空化區(qū)間壓差變化較小；云狀空化狀態(tài)時空化腔入口、出口壓差增加較為迅速；超空化后接近臨界節(jié)流狀態(tài)，壓差變化變緩。云狀空化和超空化狀態(tài)下入口壓力迅速增加，出口壓力變化較小，空化強度迅速增加，空化區(qū)域逐漸充滿整個空化腔。

圖4 流速、出入口壓力與空化狀態(tài)關(guān)系Fig.4 Relationship between flow rate, inlet and outlet pressure and cavitation state

圖5示出流量、空化指數(shù)與空化狀態(tài)關(guān)系。由圖5可見，空化指數(shù)隨流量增大呈現(xiàn)出對數(shù)型曲線，非空化和泡狀空化狀態(tài)下流量增大，空化指數(shù)快速減?。贿M入云狀空化狀態(tài)后，空化指數(shù)趨于穩(wěn)定，到達超空化后空化指數(shù)出現(xiàn)極值點。

圖5 流速、空化指數(shù)與空化狀態(tài)關(guān)系Fig.5 Relationship between velocity, cavitation index and cavitation state

2.2 空化初生過程分析

分析空化腔流道結(jié)構(gòu)可知，流體進入空化腔后，首先經(jīng)過上凸圓的180°繞流運動，上凸圓附近邊界層流體在上凸圓后方產(chǎn)生邊界層分離，形成低壓回流區(qū)，促使空泡產(chǎn)生；同樣下凸圓也會產(chǎn)生類似的圓柱體繞流、邊界層分離、空泡初生現(xiàn)象。用高速攝像機對空化腔內(nèi)臨界空化狀態(tài)采用2 000 FPS的采樣速率捕捉單氣泡的產(chǎn)生，圖6所示為空化腔內(nèi)空泡初生位置。當流經(jīng)空化腔的流體流量為1.38 m3/h時，空化腔內(nèi)上凸圓后方低壓區(qū)首先出現(xiàn)空化泡，上凸圓空泡初生位置如圖6（a）所示，該流量條件下未觀察到下凸圓上有空化泡產(chǎn)生。當流經(jīng)空化腔的流體流量為1.89 m3/h時，在下凸圓背壓側(cè)湍流區(qū)觀察到單氣泡產(chǎn)生、脫離，下凸圓空泡初生位置如圖6（b）所示。此時上、下凸圓同時有空化泡產(chǎn)生，相比于流量為1.38 m3/h時產(chǎn)生的氣泡，此時上凸圓產(chǎn)生單個空化泡體積明顯增大，上凸圓產(chǎn)生的空化泡一部分會隨流體向上凸圓后方上部靶區(qū)撞擊破裂，對靶區(qū)形成空蝕作用。由于下凸圓左側(cè)流道截面積激增，流體流速降低。另一部分上凸圓空化泡會在此區(qū)域與下凸圓形成空泡發(fā)生聚并、旋轉(zhuǎn)、潰滅。

圖6 空化氣泡初生位置Fig.6 Initial position of cavitation bubble

2.3 上下凸臺空化協(xié)同出生過程分析

空化初生狀態(tài)時，空化腔內(nèi)以單個大空泡為主。圖7示出流量為1.38 m3/h，過縫流速為4.26 m/s上凸圓單氣泡瞬態(tài)演化過程，其中圖7（a）～（f）分別為t=0，2.0，4.0，7.5，10.5，41.5 ms時刻空泡狀態(tài)。由圖7（a）可見，t=0時刻在上凸圓左側(cè)負壓區(qū)邊界層分離位置產(chǎn)生半圓形氣泡。氣泡黏附在壁面上，并沿上凸圓壁面運動一段距離后在上凸圓邊界層發(fā)生分離。分離時氣泡體積增大，尾部拉長，如圖7（b）所示。氣泡分離后繼續(xù)向下游移動，在t=4.0 ms時刻空泡隨流動方向繼續(xù)拉長，如圖7（c）所示。氣泡流經(jīng)下凸圓頂部壁面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，且隨著流道截面積增加，氣泡表面壓力減小，氣泡逐漸恢復為球狀，如圖7（d）所示。圖7（e）中t=10.5 ms時刻時，氣泡在下凸圓的壓力恢復區(qū)與其它滯留的氣泡發(fā)生聚并，形成一個較大的氣泡，并在該湍流區(qū)旋轉(zhuǎn)、滯留。在t=41.5 ms時刻該氣泡發(fā)生破裂、脫離、離開渦流區(qū)，如圖7（f）所示。

圖7 上凸圓單氣泡演化過程Fig.7 Evolution process of upper convex single bubble

圖8示出了當流量為1.89 m3/h，過縫流速為5.84 m/s時下凸圓空泡瞬態(tài)演化過程，其中圖8（a）～（c）分別為t=0，20.5，39.5 ms時刻空泡狀態(tài)。相比于上凸圓氣泡演化過程，此時空化腔內(nèi)空化作用進一步增強，在下凸圓上開始產(chǎn)生氣泡，同時觀察下凸圓和上凸圓氣泡演變過程。由圖8（a）中t=0時刻可見，在下凸圓下游背壓側(cè)空化核初生并發(fā)展成為單個氣泡。氣泡沿下壁面運動一個較小的距離后發(fā)生脫離，下凸圓產(chǎn)生的氣泡沿低壓區(qū)向下移動，在渦流區(qū)與其它氣泡發(fā)生聚并，與上凸圓空化產(chǎn)生氣泡不同，由于下凸圓渦流區(qū)壓力相對較小，下凸圓產(chǎn)生氣泡在聚并之前未觀察到潰滅現(xiàn)象，下凸圓氣泡從產(chǎn)生到聚并歷時20.5 ms，氣泡形態(tài)如圖8（b）所示。與上凸圓產(chǎn)生氣泡一樣，該氣泡在下凸圓湍流區(qū)滯留、旋轉(zhuǎn)、聚集，最后潰滅消失，整個演變周期為39.5 ms，下凸圓產(chǎn)生氣泡形態(tài)呈現(xiàn)圓球狀，下凸圓氣泡演變周期略小于上凸圓演變周期。

圖8 下凸圓單氣泡演化過程Fig.8 Evolution process of lower convex single bubble

當流量在1.38～1.89 m3/h之間，對應過縫流速為4.26～5.84 m/s，空化腔內(nèi)介質(zhì)處于空化初生狀態(tài)，呈現(xiàn)出單個氣泡由上、下凸圓邊壁低壓區(qū)產(chǎn)生并隨流動方向逐漸脫離壁面向下游流動，受流道及壁面條件影響，氣泡發(fā)生旋轉(zhuǎn)，變形，破裂或聚并現(xiàn)象。絕大部分氣泡會向下凸圓下游低壓區(qū)匯聚長大，最終破裂；少部分由上凸圓初生的氣泡會向上部靶區(qū)流動，并破裂，直接沖擊靶區(qū)，產(chǎn)生空蝕作用。但在空化初生階段，空蝕損傷非常微小。

2.4 云狀空化演變過程分析

當流量達到5.66 m3/h時，出現(xiàn)云狀空化狀態(tài)，進入云狀空化后隨流量增加，空化強度增幅變緩。圖9示出空化腔內(nèi)云狀空化，此時，空化腔內(nèi)單空泡夾雜部分小氣泡共同流動。云狀空化過程中氣泡幾乎充滿了整個空化腔，且以微小空泡為主，氣泡聚并破碎時間較短，高速攝像機獲取的圖像顯現(xiàn)為云霧狀。在空化腔上表面和下凸圓后方靠上的位置形成2個明顯的高氣含率區(qū)，如圖9中所示兩處較亮的區(qū)域，主要原因是大量空化泡在該區(qū)域融合潰滅導致局部氣含率較高。上、下凸圓及狹縫后部流道內(nèi)流速較高，湍流強度較大，在靶區(qū)附近形成高氣含率區(qū)域。上、下凸圓處生成的空泡流經(jīng)下凸圓后方截面尺寸較大處，流體壓力逐漸恢復，形成大漩渦狀空泡融合潰滅區(qū)。流速降低湍流強度變?nèi)酰谙峦箞A后方形成高氣含率區(qū)域。其中上凸圓后方空泡團聚潰滅會形成較強的壓力沖擊，對靶區(qū)金屬形成強烈空蝕損傷，前期研究發(fā)現(xiàn)靶區(qū)金屬在云狀空化狀態(tài)下，5 h后靶區(qū)金屬出現(xiàn)了明顯的空蝕坑［18-20］。

圖9 云狀空化氣泡演化過程Fig.9 Evolution process of cloud cavitation bubble

2.5 超空化狀態(tài)過程分析

當流量達到20.54 m3/h時，空化強度又進一步激增，云狀空化發(fā)展為超空化，流動接近臨界節(jié)流狀態(tài)。流量繼續(xù)增加時，空化強度增速趨緩并到達極值，空化腔內(nèi)空泡粒徑顯著減小，數(shù)量激增，極微小氣泡布滿整個空化腔，微空泡潰滅引發(fā)波動效應增強，空泡發(fā)展及潰滅過程加劇，閥芯與閥座的空蝕損傷程度達到極值。超空化狀態(tài)下視窗透光率很低，空化強度到達極值時透光率接近零，高速攝像機將無法獲取流場內(nèi)流動形態(tài)。

3 結(jié)論

（1）隨著流量增大，上下凸圓狹縫節(jié)流作用增強，空化作用增強，空化狀態(tài)可劃分為非空化，泡狀空化，云狀空化及超空化4個狀態(tài)。

（2）上凸圓空化氣泡初生位置在與水平夾角135°位置，下凸圓氣泡初生在與下凸圓法線成45°位置。上、下凸圓氣泡最終都會在下凸圓后方湍流區(qū)發(fā)生團聚，在該區(qū)域旋轉(zhuǎn)、滯留、潰滅消失。上、下凸圓氣泡演變周期均在40 ms左右。

（3）上、下凸圓氣泡演化過程分為初生、發(fā)展、脫落、潰滅、團聚、再潰滅。隨空化強度增大，空化演變呈現(xiàn)一定規(guī)律，從初生狀態(tài)下的單體大空泡到云狀空化的大小空泡共存，再到超空化狀態(tài)的微小空泡充滿空化腔。

（4）泡狀空化單體大空泡破裂對閥芯、閥座產(chǎn)生的沖擊作用較弱，云狀及超空化空泡團聚、潰滅對閥芯、閥座造成的空蝕損傷較大。