套筒閥消能與氣蝕研究及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

摘要" ：對套筒閥的消能率進(jìn)行研究，建立三維模型并利用Fluent仿真軟件對其進(jìn)行內(nèi)部流場的數(shù)值模擬，分析了傳統(tǒng)套筒閥不同開度下的流場分布及消能效果。通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提出一種新型的旋流式套筒閥，研究旋流式套筒閥套筒窗口切向角的變化對閥消能效果的影響，對比分析了傳統(tǒng)套筒閥和旋流式套筒閥在各開度下的消能效果及氣蝕特性。結(jié)果表明：傳統(tǒng)套筒閥消能效果低于旋流式套筒閥，且在管壁及套筒處易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象；增大旋流式套筒的切向角能夠提高其消能效果，且管壁及套筒處不易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。綜合消能率及氣蝕分析，槽口切向角為30°時旋流式套筒閥消能降壓效果較好，閥內(nèi)含氣率較低，能夠防止氣蝕對閥內(nèi)零件及管道壁面的破壞。

關(guān)鍵詞 ：旋流式套筒閥;切向角;數(shù)值模擬;消能率;氣蝕

中圖分類號：TH134"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"" 文章編號：1004-0366（2024）05-0089-07

通常管道內(nèi)部的水流蘊(yùn)含極大的能量，這就要求管道有較好的穩(wěn)定性，如果在管道內(nèi)部就采取一定程度的消能措施，將有利于管道的輸水安全。消能閥是一種用于中高水頭、大流量下的消能控流閥門，主要作用于管路和河道的流量調(diào)節(jié)和水頭消減，保證下游不斷流，防止剩余水頭沖刷河床，被廣泛應(yīng)用于水電工程中［1］。消能閥通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)促使水流產(chǎn)生撞擊、旋渦、摩擦、擴(kuò)散等現(xiàn)象，以此將急流變成緩流，轉(zhuǎn)化消除過大的出流能量，從而實(shí)現(xiàn)消能的目的［2］。

隨著國內(nèi)外學(xué)者對消能閥研究的不斷深入，魏文禮等［3］研究出了嵌套式錐形結(jié)構(gòu)的消能閥，以提高閥的消能率;DALLIN等［4］對消能閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加了金屬罩部件，研究了其消能率的變化;秦武等［5］對錐形閥進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，對比分析了不同開度下的內(nèi)部流場及過流流量變化，并進(jìn)行了一定的結(jié)構(gòu)改進(jìn);王永鵬［6］通過對不同開度下的不同閥芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，對比了減壓消能閥不同閥芯結(jié)構(gòu)時閥內(nèi)的流場變化特征，并進(jìn)行了閥芯的改進(jìn)和優(yōu)化分析;喻哲欽等［7］對3種不同結(jié)構(gòu)的消能閥內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬分析，探究閥內(nèi)部各消能部件對其消能效果的影響;KELLY［8］通過研究分析表明消能閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與尺寸對其整體消能效果有很大的影響;閔為等［9］利用流固耦合的模擬方法對消能閥進(jìn)行了模擬分析，得出合理選取半錐角度可以改善閥的穩(wěn)定性，并優(yōu)化了出流條件;殷德奎［10］以使用螺旋扇葉型導(dǎo)流器的調(diào)節(jié)閥為研究對象，利用Fluent對調(diào)節(jié)閥不同開度穩(wěn)態(tài)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析流場壓力、速度、跡線及氣體體積分?jǐn)?shù)的變化;李燕輝等［11］對固定錐形閥不同開度下的穩(wěn)態(tài)流場及瞬態(tài)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，探究閥內(nèi)流場分布，對比分析了流量系數(shù)、消能率等閥門特性參數(shù)的變化。

由以上研究看出，目前學(xué)者對消能閥的研究大多是針對錐形消能閥，本文對套筒閥的消能效果進(jìn)行研究。傳統(tǒng)套筒閥三維模型如圖1所示，閥體內(nèi)裝有鼠籠套筒，傳動機(jī)構(gòu)帶動套筒在行程范圍內(nèi)做水平往復(fù)運(yùn)動，從而通過改變閥體出口的過流面積調(diào)節(jié)流量。本文通過改變套筒結(jié)構(gòu)，利用Fluent數(shù)值模擬其內(nèi)部流場特性，在防止閥內(nèi)零件產(chǎn)生氣蝕的基礎(chǔ)上增大其消能率，達(dá)到消能降壓的效果。

1 數(shù)值模擬計(jì)算控制方程

1.1 控制方程

旋流式套筒閥中的流體是液體，流過閥門時滿足質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律以及能量守恒定律，其控制方程如下［12］：

質(zhì)量守恒方程：

ρt+ρxi（ρui）=0， （1）

能量守恒方程：

（ρT）t+div（ρuT）=divkCpgradT+Sr，（2）

動量守恒方程：

ρt（ρui）+ρxj（ρuiuj）=-pxi+τijxi+ρgi+Fi，（3）

τij=μuixj+ujxi-23μuixiσij， （4）

其中：t為單位時間;k為傳熱系數(shù);T為流體溫度;ui為流體沿i方向上的速度分量;Cp為比熱容;Sr為黏性耗散項(xiàng);P為微元體上靜壓力;τij為應(yīng)力張量;gi為i方向上的重力加速度;Fi為i方向上的外部體積力。

1.2 湍流模型

研究中旋流式套筒閥內(nèi)部流體流動為湍流流動，選用計(jì)算精度較好的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。對于不可壓縮流體，該模型湍流動能k和湍流耗散率ε的輸運(yùn)方程為

（ρk）t+（ρkui）xi=xjμ+μiσkkxj+Gk-ρε，（5）

（ρε）t+（ρεui）xi=xjμ+μiσεεxj+C1εεkGk-ρC2εε2k，（6）

其中：ρ為流體密度；μ為流體黏度；Gk是由平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項(xiàng)；σk=1.0和σε=1.3分別為k和ε的湍流普朗特常數(shù);C1ε=1.44和C2ε=1.92為對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.3 空化模型

水流流過鼠籠套筒上不同夾角的槽孔時流速增大、壓力降低，有可能產(chǎn)生空化現(xiàn)象并產(chǎn)生氣蝕。Schnerr-Sauer空化模型可以較好地體現(xiàn)湍流脈動壓力對氣化壓力的影響［13］，其控制方程如下：

當(dāng)pv≥p時：

Re=ρvρ1ραv（1-αv）3RB2（pv-p）3ρ （7）

當(dāng)pvlt;p時：

Rc=ρvρ1ραv（1-αv）3RB2（p-pv）3ρ （8）

其中：p為某溫度下的絕對壓力;pv為飽和蒸氣壓;ρ為混合相密度;ρ1為液體密度;ρv為氣體密度;αv為蒸氣相體積分?jǐn)?shù);Re為蒸氣相生成率;Rc為凝結(jié)相生成率;RB為空泡半徑。

2 網(wǎng)格劃分及工況設(shè)置

為保證模擬計(jì)算過程中流道兩端的流動平穩(wěn)并均勻，依據(jù)文獻(xiàn)［14］中的要求，對閥門進(jìn)出口兩端分別延伸5倍和10倍流道直徑長度的管道，并抽取其內(nèi)部流道模型，劃分網(wǎng)格時對鼠籠套筒區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。閥內(nèi)部流道網(wǎng)格劃分見圖2。

以常溫水為介質(zhì)，入口速度為2.6 m/s、出口壓力為0.06 MPa，利用Fluent仿真軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，求解器設(shè)置為基于壓力及穩(wěn)態(tài)，數(shù)值模擬旋流式套筒閥的流場特性。對閥門進(jìn)行空化模擬時，打開混合相（Mixture）模型，設(shè)置液態(tài)水（water-liquid）為主要相，水蒸氣（water-vapor）為次要相。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)消能率與流場分析

消能率的大小反映出流體通過閥門的能量耗散能力，其值為閥前總能量與閥后總能量的差值與初始能量的比值。消能率η的計(jì)算式為

η=E1-E2E1×100%=p1ρg+v212g-p2ρg+v222gp1ρg+v212g×100%，（9）

其中：E1為閥前流體總能量（mH2O）;E2為閥后流體總能量（mH2O）;p1為閥前靜壓（Pa）;p2為閥后靜壓（Pa）;v1為進(jìn)口速度（m/s）;v2為出口速度（m/s）。

通過數(shù)值模擬計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果帶入式（9）中計(jì)算傳統(tǒng)型套筒閥的消能率η。不同開度下傳統(tǒng)套筒閥消能率變化曲線如圖3所示。

由圖3看出，隨著閥門開度增大，消能率逐漸減小。在小開度時，閥門出口面積較小，槽口出口處具有較大的壓力梯度和速度梯度，對能量產(chǎn)生強(qiáng)烈的耗散，消能率較高，在20％開度下，閥門消能率為97％;在100％開度時，閥門消能率降低到了64.4％。

傳統(tǒng)型套筒閥不同開度下壓力分布云圖如圖4所示。從圖4看出，進(jìn)口段壓力保持不變，在局部放大圖中槽口出口處出現(xiàn)壓力突變，壓力迅速下降。槽口出口處流道中心壓力較高，管壁面壓力較低。小開度時，槽口出口處節(jié)流程度劇烈，30％開度下進(jìn)出口壓差為1 MPa;大開度時，進(jìn)出口壓差減小，90％開度下進(jìn)出口壓差為0.1 MPa。

圖4（b）中A點(diǎn)在流道中心線上，以A點(diǎn)為原點(diǎn)，提取閥門出口流道流動方向及半徑方向上的壓力分布，如圖5所示。從圖5（a）中可以看出，沿流動方向壓力逐漸下降，到A點(diǎn)后0.5 m處壓力降低到25 640 Pa，在0.5 m后壓力開始緩慢增加。從圖5（b）中可以看出，沿著流道半徑方向流道中心A點(diǎn)壓力最高，隨著半徑增大壓力呈減小趨勢。水在常溫下的飽和蒸氣壓為3 250 Pa，距A點(diǎn)徑向距離為0.7 m處壓力為3 100 Pa，壓力開始低于飽和蒸氣壓，一直延伸到管道壁面處，該區(qū)域會液體氣化發(fā)生氣蝕，對管道壁面產(chǎn)生損害。

相對開度為60%時傳統(tǒng)套筒閥閥內(nèi)氣相體積云圖如圖6所示。從圖6可以看出，閥內(nèi)氣相主要分布在套筒槽口及管道內(nèi)壁面處，這些位置將發(fā)生空化，會對其造成氣蝕破壞，且閥內(nèi)含氣率為0.092％。

3.2 新型結(jié)構(gòu)消能率分析

為了增大閥門消能率、防止閥內(nèi)壁面產(chǎn)生氣蝕，設(shè)計(jì)了一種鼠籠套筒上的槽孔與外表面有一定夾角α的旋流式套筒閥，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中α為槽口切向角，水流沿著夾角α流出槽孔后與流道壁面形成一定的切向速度，經(jīng)過槽孔形成旋流后和流道發(fā)生撞擊、摩擦、擴(kuò)散等，降低了過大的出流能量，最后從管道出口噴出達(dá)到消能降壓的目的。

采用相同的邊界條件，將切向角α分別設(shè)定為15°、30°、45°，分析不同切向角時閥門不同開度消能效果及流場特性。通過數(shù)值模擬，帶入式（9）計(jì)算旋流式套筒閥的消能率η，相對開度為60％時不同槽口切向角旋流式套筒閥的消能率如表1所列。

由表1看出，隨著切向角α的增大，旋流式套筒閥消能率逐漸增大，這是由于水流通過鼠籠套筒不同夾角的槽孔時壓差（p1-p2）增大，即壓力水頭差逐漸增大，消能率逐漸增大。閥前后流速差（v1-v2）基本不變，速度水頭變化不明顯，因此旋流式套筒閥主要是改變進(jìn)出口壓力水頭差使消能率提高。

套筒閥改結(jié)構(gòu)前后消能率變化曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，不同結(jié)構(gòu)閥門在20％開度

下的消能率比較接近，均大于97％，消能效果較好;隨著開度增大，不同結(jié)構(gòu)套筒閥消能率差值逐漸增大，旋流式套筒閥消能率降低速度較傳統(tǒng)型套筒閥緩慢。在閥門開度大于40％后，鼠籠套筒槽口切向角的增大對閥的消能效果明顯提高，在同一開度下，切向角越大消能率越高，且隨著切向角增大，消能率曲線斜率減小。其中100％開度下，α=15°旋流式套筒閥消能率為69.9％，α=30°旋流式套筒閥消能率為77.4％，α=45°旋流式套筒閥消能率為87.0％。

由此可見，增加切向角能夠提高閥的消能效果，對旋流式套筒閥增大節(jié)流槽的切向角是提高消能率的一種途徑。

3.3 新型結(jié)構(gòu)流場分析

對旋流式套筒閥不同切向角和不同開度的流場特性進(jìn)行分析。在Fluent中完成模擬計(jì)算后在CFD-Post后處理模塊中得到各開度下閥的流場分布。對旋流式套筒閥α=30°時不同開度下的流場進(jìn)行分析。

（1） 流線分布分析

旋流式套筒閥套筒槽口切向角為30°時不同開度下閥的流線圖如圖9所示。從圖9中看出，當(dāng)流體經(jīng)過鼠籠套筒時，由于槽口切向角的導(dǎo)流，流體以30°的角度旋切從槽口流出進(jìn)入導(dǎo)流腔流道，流體切向速度增大，并沿導(dǎo)流腔流道管壁呈螺旋狀向下游流動，形成螺旋狀旋流。流道中心速度較小，沿著流道半徑速度增大。開度為60％時流道中心流速為1.7 m/s，沿徑向方向流體逐漸加速到6.3 m/s，在管道壁面處由于形成邊界層流速迅速降至0，從而增加能量的損耗。流體在導(dǎo)流腔后部形成不同程度的旋流，對導(dǎo)流腔產(chǎn)生了沖擊。隨著開度增大，導(dǎo)流腔及下游管路流體螺旋狀流動狀態(tài)不變，但螺旋運(yùn)動程度及旋流強(qiáng)度減弱，流體流動逐漸平穩(wěn)。

（2） 壓力分布分析

槽口切向角為30°時不同開度下旋流式套筒閥壓力分布云圖如圖10所示。從圖10看出，30％開度下進(jìn)出口壓差為1.8 MPa，消能降壓效果明顯;90％開度下進(jìn)出口壓差為0.3 MPa，消能降壓減弱。在流道中心處壓力較低，靠近管壁面壓力高。

以圖10（b）中A點(diǎn)為原點(diǎn)，提取旋流式套筒閥出口流道流動方向及半徑方向上的壓力分布，如圖11所示。

從圖11（a）中可以看出，流體通過槽口后沿著流道方向壓力急劇下降，降壓效果較傳統(tǒng)型套筒閥明顯，在A點(diǎn)前2.5 m處壓力開始小于3 250 Pa，一直延伸到A點(diǎn)后4 m處，因此該低壓區(qū)域?qū)⒌陀陲柡驼魵鈮憾菀装l(fā)生氣蝕。從圖11（b）中可以看出，旋流式套筒閥沿著流道半徑方向A點(diǎn)壓力最低，向外壓力逐漸增大，到距離A點(diǎn)徑向0.3 m處壓力為1 220 Pa，該區(qū)域壓力低于常溫水的飽和蒸氣壓，會產(chǎn)生氣體;最大壓力為管道壁面處，為0.1 MPa，大于水在常溫時的飽和蒸氣壓，不會產(chǎn)生氣體，因此旋流式套筒閥能夠防止管道壁面產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

（3） 氣蝕分析

相對開度為80%時不同套筒槽口切向角的旋流式套筒閥內(nèi)氣相體積云圖如圖12所示。由圖12（a）～（c）中圓圈標(biāo)記處可見，與傳統(tǒng)型套筒閥氣相區(qū)域相比，槽口切向角增大到15°時，閥內(nèi)氣相區(qū)從流道壁面轉(zhuǎn)移到流道中心，閥內(nèi)含氣率為0.021％;隨著槽口切向角從15°增大到45°，閥內(nèi)氣相區(qū)域在流道中心前后轉(zhuǎn)移，鼠籠套筒及管壁面處不產(chǎn)生氣體，槽口切向角30°閥內(nèi)含氣率為0.019％，槽口切向角45°產(chǎn)生的氣相體積增大，閥內(nèi)含氣率為0.028％。

因此，旋流式套筒閥槽口切向角為30°、45°時氣相區(qū)域均分布在套筒后流道中心位置，鼠籠套筒及管道內(nèi)壁面未產(chǎn)生氣體，不易發(fā)生氣蝕，且30°槽口切向角閥內(nèi)含氣率較低。綜合消能率分析，30°切向角旋流式套筒閥消能率較高，且閥內(nèi)零件及流道壁面無氣蝕發(fā)生，為最優(yōu)切向角。

4 結(jié)論

基于Fluent數(shù)值仿真軟件，分析了傳統(tǒng)套筒閥不同開度下的流場分布及消能效果，對套筒閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提出一種旋流式套筒閥，并對比分析了改進(jìn)前后套筒閥的消能效果及氣蝕，得出以下結(jié)論：

（1） 傳統(tǒng)套筒閥消能效果低于旋流式套筒閥，且在套筒及管道壁面處易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

（2） 旋流式套筒閥流體沿導(dǎo)流腔流道管壁呈螺旋狀向下游流動，形成螺旋狀旋流。流道壁面壓力高，不易產(chǎn)生氣蝕。

（3） 在旋流式套筒設(shè)置切向角能夠提高其消能效果，切向角越大消能效果越好。綜合消能率及氣蝕分析，槽口切向角為30°時旋流式套筒閥消能降壓效果較好，閥內(nèi)含氣率最低，能夠防止氣蝕對閥內(nèi)零件及管道壁面的破壞。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 高季章，董興林，劉繼廣.生態(tài)環(huán)境友好的消能技術(shù)—內(nèi)消能的研究與應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2008（10）：1176-118 1188.

［2］ JALAL M J，SABAH T A，XUE Y Q，al et.Experimental and numerical investigation of fluid flow of truncated conical poppet valve［J］.International Journal of Fluid Power，2015，16（1）：25-34.

［3］ 魏文禮，呂彬，劉玉玲.消能錐形閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)的三維數(shù)值模擬研究［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2013，30（1）：109-114，151.

［4］DALLIN Stephens，MICHAEL C Johnson，ZACHARY B Sharp.Design considerations for fixed-cone valve with baffled hood［J］.Journal of Hydraulic Engineering，201 138（2）：204-209.

［5］ 秦武，李志鵬，喻哲欽，等.消能錐形閥過流狀態(tài)研究與優(yōu)化［J］.南水北調(diào)與水利科技，2017，15（1）：193-198.

［6］ 王永鵬.一種可調(diào)節(jié)式減壓消能閥型結(jié)構(gòu)研究［D］.西安：西安石油大學(xué)，2019.

［7］ 喻哲欽，李志鵬，童成彪，等.消能錐形閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化與消能效果探討［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2015，34（12）：108-114.

［8］ KELLY Rose.Cone improvements：advancesin cone value technology gives new levels of IBC containment［J］.Solids amp; Handing，2009，35（7）：156-160.

［9］ 閔為，王崢嶸.不同閥座半錐角條件下的錐閥閥口流場仿真［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，201 38（6）：49-52.

［10］ 殷德奎.DN1000型活塞式流量調(diào)節(jié)閥流場分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)［D］.武漢：武漢輕工大學(xué)，2020.

［11］ 李燕輝，廖志芳，蔣勁，等.固定錐形閥特性參數(shù)及流動特征的仿真分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（28）：318-324

［12］ 何川.CFD基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2004.

［13］ 王世鵬，陳修高，張希恒.基于背壓下的復(fù)合式調(diào)節(jié)閥空化現(xiàn)象數(shù)值模擬研究［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2018，30（4）：132-137.

［14］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.閥門 流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法：GB/T 30832-2014［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

Research on energy dissipation and cavitation of

sleeve valves and structural improvement

ZHANG Xiheng，WU Jiali，XUE Ruiyuan，WEI Junhuan，ZHAO Xinyu

（College of Petrochemical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Abstract ：The purpose of this paper is to conduct research on the energy dissipation rate of sleeve valves，and establish a three-dimensional model to numerically simulate the internal flow field using.Fluent simulation software.It analyzed the flow field distribution and energy dissipation effect of traditional sleeve valves under different opening angles.Through structural improvement，a new type of swirling sleeve valve was proposed to study the impact of changes in the tangential angle of the sleeve window of the swirling sleeve valve on the energy dissipation effect of the valve.A comparative analysis was conducted on the energy dissipation effect and cavitation characteristics of traditional sleeve valves and swirling sleeve valves at various openings.The results show that the energy dissipation effect of traditional sleeve valves is lower than that of rotary sleeve valves，and cavitation phenomenon is prone to occur at the pipe wall and sleeve.Increasing the tangential angle of the swirl sleeve can improve its energy dissipation effect，and cavitation is less likely to occur at the pipe wall and sleeve.Based on comprehensive energy dissipation rate and cavitation analysis，when the tangential angle of the groove is 30°，the swirling sleeve valve has a good energy dissipation and pressure reduction effect，and the valve has a low air content，which can prevent cavitation from damaging the parts inside the valve and the pipeline wall.

Key words ：Swirl type sleeve valve;Tangential angle;Numerical simulation;Energy dissipation rate;Cavitation

（本文責(zé)編：葛 文）