米 博，党建涛

(甘肃红峰机械有限责任公司，甘肃 平凉 744000)

0 引 言

蒸汽疏水阀顾名思义是把蒸汽使用装置内产生的凝结水迅速排出，使其不形成滞留，同时将需要的蒸汽阻止而不泄漏，保证蒸汽使用装置的加热效率保持在最高状态[1]。常规蒸汽疏水阀结构复杂，由于部件频繁动作而极易磨蚀、损坏，导致动作失灵和蒸汽泄漏。为了克服以上缺点，美国 Mr.L.Guzick发明了孔板式蒸汽疏水阀用于替代海军舰船上的常规蒸汽疏水阀，为美国海军节约了一千万美元以上的投资，从而获得卡特总统的嘉奖。然而孔板式蒸汽疏水阀只能处理流量固定的冷凝水，无法适应负荷变化的工况，为此20世纪60年代，一种新型的文丘里式疏水阀得到开发并在美国海军舰船中首先得到应用，并在90年代在工业装置得到应用[2]。

笔者通过对文丘里疏水阀的工作原理的阐述，数学模型的建立以及有限元数值模拟，得到了文丘里疏水阀内部流场中温度、速度、压力及湍流动能的变化情况，为进一步研究及工程实践提供了技术保障。

1 文丘里蒸汽疏水阀的工作原理

文丘里式蒸汽疏水阀具有以下特点：

(1) 连续排水，排水速度快，蒸汽泄漏少。

(2) 操作范围大，适应负荷变化的工况。

(3) 能自动排除阀内不凝气，工作中无汽阻。

(4) 无可动部件，使用寿命长，工作噪音小，抗水击。

(5) 尺寸小，占地少，维护方便。

文丘里式蒸汽疏水阀主要原理是利用蒸汽和凝结水不同比容所造成的流阻，实现阻汽排水的效果。介质通过流道的能力与比容成反比，凝结水与蒸汽的比容在相同的压力下要相差约两个数量级，这使得同样的孔径、压力下，凝结水的排量要几十倍与蒸汽的排量。根据凝结水流量的大小和压差,来选取适当的孔径，从而把系统内产生的凝结水顺利地排放掉，使蒸汽的泄漏减少到最低程度，达到节能的目的。其内部流域结构如图1所示。

图1 文丘里管结构示意图

1.1 数学模型

将凝结水经过文丘里管的流动视为稳定流动，符合质量和动量守恒定律，其基本控制方程由连续性方程和Navier-Stokes方程[3]等构成，连续性方程为：

Navier-Stokes：

式中：μ为水的动力黏度系数，Pa·s；ρ为水的密度，kg/m3；t为时间，s；U为速度矢量，m/s；p为流体微元体上的压力，Pa；FX、FY、FZ分别为单位体积上质量力在x、y、z方向的分量，N。因质量力只有重力，则FX=0，FY=0，FZ=-ρg。

1.2 边界条件的设置

在Workbench Fluent模块中设置文丘里疏水阀入口压力为1.6 MPa,出口压力0.3 MPa，入口、出口温度都为300 K。

1.3 雷诺数计算

Re=ρνd/η

式中：ρ为流体的密度；ν为流体的流速；d为管道直径；η为流体的粘度。

流体雷诺数计算表如表1所列。所以根据流体状态判定条件，可界定该流动为完全湍流。

表1 流体雷诺数计算表

1.4 Realizable k-ε模型

流体在文丘里管中流动时，当空化稳流发生时，在近壁面空化处高速微射流与撞击流同时存在，形成漩涡流，此时时均应变率特别大，此时使用标准k-ε模型，有可能导致负的正应力。为使文丘里管内流动更符合湍流的性质，需要对正应力进行约束。为保证这种约束的实现，湍动粘度计算式中的系数Cu应与应变率联系起来，而不再是常数。因此在文中应用Realizable k-ε模型[4]。

Zwart(Zwart-Gerber-Belamri)空化模型[7-11]是以气液两相输运方程为基础，并和湍流模型能较好兼容的一种模型。模型中两相之间的质量传输率可通过气泡数密度计算。且在模型中，用αnuc(1-αv)代替αv,方程如下：

p≤pν时：

p>pν时：

式中：p为流场内部压力；pv为空化临界压力；Re为汽化产率；Rc为凝结产率；Fvap为蒸发项经验校正系数；Fcond为凝结项经验校正系数；αnuc为气核处体积分数；αv为气相体积分数；RB为汽泡半径；ρv、ρl分别为气相，液相密度。本次模拟采用FLUENT软件自带的空化模型，使用推荐数值αnuc=5×10-4，RB=10-6m，Fvap=50，Fcond=0.01。

2 文丘里蒸汽疏水阀的数值模拟

2.1 3D建模及网格划分

利用SolidWorks 3D对文丘里疏水阀进行建模，如图2所示。具体几何尺寸见图1所示，喉管直径d=10 mm，收缩角45°，扩散角12°，总长280 mm。利用Workbench中的Fluent模块进行网格划分并对其进行数值模拟分析，如图3所示，在网格划分时，重点对流体边界层及喉管部位进行网格细化。

图2 文丘里疏水阀3D模型

图3 文丘里疏水阀网格划分

2.2 模拟分析

利用ANSYS Workbench Fluent对导入模型进行设置分析。由于空化的发生，因此选择Zwart-Gerber-Belamri空化模型，并采用Mixture模型，同时采用 realizable k-ε模型。流体数据里选择水和水蒸气作为两相介质流。边界条件设置入口压力边界条件(PIN=1.6 MPa)，出口压力边界条件(POUT=0.3 MPa)，最后通过稳流进行迭代计算直至收敛。

2.3 计算结果分析

2.3.1 压力计算结果

由图4中的文丘里疏水阀压力云图及图5中的文丘里疏水阀的压力分布曲线可见，文丘里疏水阀的压力在不同截面处有所不同，在入口处设定压力为1.6 MPa，随着管径的缩小，其压力也逐渐降低，直至喉管处压力降到最低，过喉管后，管径逐渐增大，此时压力又随之增大，直至设定的出口压力0.3 MPa。

图4 文丘里疏水阀压力分布云图

图5 文丘里疏水阀压力分布曲线

根据流体力学可知，出现以上压力分布的原因是：在渐缩段，随着截面积减小，液流速度增大，压力能逐渐转化为动能，从而导致压力减小；在渐扩段，随截面积增大，液流的动能转化成压力能，从而使得压力逐渐增大。由此可得出模拟结果与理论相符合。

2.3.2 速度计算结果

由图6中的文丘里疏水阀压速度云图及图7中的文丘里疏水阀的速度分布曲线可见，文丘里疏水阀的速度随着管径的变化而变化，在设定压力边界条件的情况下，速度在直管段的速度变化很小，然后在收缩管处，随着管径的收缩，速度逐渐增大，在扩散管处，速度随着管径的增大而逐渐增大。

图6 文丘里疏水阀速度分布云图

图7 文丘里疏水阀速度分布曲线

根据流体力学伯努利方程可知，压力与速度的平方成反比，在渐缩段，随着截面积减小，压力降低，速度增大；在渐扩段，压力逐渐增大，速度反而减小。同样得出模拟结果与理论相符合。

2.3.3 温度计算结果

在300 K的温度条件下，对文丘里疏水阀的温度模拟结果如图8所示。

图8 文丘里疏水阀温度分布云图

以上温度云图显示，在整个过程中，温度基本保持不变，唯有在喉管边界层及喉管下游段，温度有所降低。结合图9气含率云图，发现温度与空化作用呈现出相反的状态，在空化发展区域，温度会随之降低，而未有空化的区域，温度与整个管路温度一致。

图9 文丘里疏水阀气含率分布及湍流动能云图

空化区，温度之所以会降低，是因为在该区域，液态水气化，会引起能量的耗散，因此温度也会随之降低。空化效果越明显，气泡发展越壮大，能量耗散就会越多，温度下降也就越多。然而，温度的降低也会引起饱和蒸气压的下降，那么压力降至饱和蒸气压就越困难，这样就对空化具有一定的抑制作用，限制了空化的发生。

2.3.4 空化效果模拟结果

文中以气含率和湍流动能作为对空化效果的表征，来研究空化效果的好坏。

在边界入口压力情况下，空化发生区域如图9气含率云图所示。由模拟结果可知，空化区域相比整个流域面积较小。当流体进入喉管处，速度急剧增大，压力降至最低点，此时液态水气化为气态水。同时可以看到，空化区域主要出现在喉管的壁面及喉管的后部，这主要是因为气核在低压区生成，随着水流逐渐发展，因此会出现在喉管的偏后位置处。随后随着扩散段管径的增大，压力增高，气泡被压缩甚至溃灭，气含率逐渐减小直至消失。

如图9文丘里疏水阀湍流动能云图所示，湍流动能主要表现在空化区下游位置，在气化初期湍流动能增加较小。这是因为在空化初期，由液相变为气相，这一动作缓慢且温和，因此湍流动能变化较小，但是在喉管下游，气核在高压下溃灭时，高速剧烈，同时，气泡溃灭时常伴有旋流、射流等流动，因此湍流动能也会相应发生突变。根据文献[6]所述，高湍流动能在一定程度上会限制水流，且随着空化的程度，湍流动能的增大，会促进空化稳流的产生[6]。此外，图10所示的湍流强度也能印证以上结论。

图10 文丘里疏水阀气湍流轻度云图

3 结 论

通过对文丘里疏水阀的SolidWorks 3D实体建模，利用Fluent对其流场进行模拟分析，得出以下结论：

(1) 文丘里疏水阀的压力随着管径的收缩而逐渐降低，在喉管处压力最低，之后进入扩散段，又会随着管径的增大而增大。

(2) 文丘里疏水阀的速度与压力变化正好想法，速度随着管径的减小而增大，即在喉管及喉管下游区域最大，随后由于管径的增大又会减小。

(3) 在空化区域，由于空化的发生，液态水气化，会引起能量的耗散，因此温度也会随之降低。

(4) 利用气含率及湍流动能，对文丘里疏水阀的空化效果进行表征。气核在低压区生成，随着水流逐渐发展，会出现在喉管的偏后位置处。随后随着扩散段管径的增大，压力增高，气泡被压缩甚至溃灭，气含率逐渐减小直至消失。同时，在空化初期，由液相变为气相，这一动作缓慢且温和，因此湍流动能变化较小，但是在喉管下游，气核在高压下溃灭时，高速剧烈，同时，气泡溃灭时常伴有旋流、射流等流动，因此湍流动能也会相应发生突变。气含率及湍流动能越大，说明空化效果越明显，反之空化越微弱。

通过以上结论，对文丘里疏水阀内部流动有了一定的理论认识，可以初步解决文丘里疏水阀的选型问题，根据现场实际工况，设计符合参数的产品。同时为以后更加全面准备的掌握文丘里疏水阀流场的参数变化包括影响其排量的因素奠定了坚实的基础。