杨隆杰 ， 项光武 ， 孙希望 ， 项良海 ， 罗建康 ， 王仁爱 ， 杨 扬 ， 雷 洪

（1.浙江石化阀门有限公司，浙江 温州 325025；2.浙江理工大学，浙江 杭州 310018）

1 概述

阀门是管道输送系统中不可缺少的一部分，对管道中介质的通断、节流以及调节等起着非常重要的作用[1-4]。截止阀作为管路系统中比较常见的阀门，既可以应用于输送生活用水，也可应用于输送重型工业燃料，其主要通过阀瓣和阀杆沿着阀座中心的直线运动实现对输送介质的截断或调节[5-6]。由于截止阀结构上的设计，截止阀内部非常容易发生空化现象，空化产生的空泡会对截止阀产生空蚀、噪声、振动等危害[7]。

为了降低截止阀内部的空化危害，学者们对截止阀内部的空化现象进行了大量的研究。周霞等[8]对低温截止阀内液氮空化的发展规律以及空化对壁面产生的压力冲击进行了研究，并对如何避免截止阀系统因空化而产生共振提出了参考性意见。孟新凌等[9]对小开度高温高压截止阀三维流场进行了数值模拟，发现高温高压介质会对阀座密封面产生较强的冲刷作用，并提出了通过多级节流槽阀瓣结构以改进锥面密封副的方法，来避免高速介质冲刷密封副和减少空化汽蚀现象。刘东彦等[10]针对直角截止阀内部的空化噪声问题进行了数值计算，结果表明直角截止阀在阀门出口位置具有明显的空化现象和湍流噪声，并且开度越小，空化噪声越严重。但是对于截止阀内部的介质流动以及空化现象的研究仍然非常不足，因此本文将继续对其进行研究。

2 物理模型和数值模拟方法

2.1 物理模型

本研究所采用的截止阀内部口径D=102 mm，由浙江石化阀门有限公司的设计人员自主研发。图1为截止阀的三维结构示意图，截止阀的主要结构包括手轮、支架、阀杆、阀盖、阀瓣、阀体以及各种连接件和密封件，最高可承受5 MPa的压力。

图1 截止阀三维结构示意图

为了对截止阀中的流场进行计算，首先需要对截止阀中的介质流动区域进行提取。图2为截止阀在行程开度为50%的内部计算域示意图。上游管道被延长至截止阀内径的10倍距离，下游管道被延长至截止阀内径的15倍距离，以保证流动介质的充分发展，更好地对截止阀内部的空化现象进行研究。

图2 截止阀50%开度计算域示意图

2.2 数值模拟方法

本文采用常温水为介质来对截止阀内部的空化进行研究，常温水以及发生空化后所形成的水蒸气的介质属性如表1所示。截止阀的入口速度分别为3.5 m/s和5.5 m/s，出口边界条件为压力出口，出口压力为标准大气压（101 325 Pa）。

表1 截止阀内部介质的物理属性

对于空化计算来说，目前使用较为广泛的多相流模型主要有流体体积法（Volume of Fluid,VOF）和均质混合方法（Mixture）。VOF方法能够计算出非常明显的汽液交界面，但是需要非常精细的网格和比较大的计算资源；Mixture虽然不能得到非常精确的汽液交界面，但是Mixture模型需要的计算资源较少，计算稳定性也非常好。因此，本文选择通过混合模型（Mixture）来描述截止阀中的空化现象，其控制方程如下所示：

其中，U为汽液混合相的速度，p为压力，ρm为汽液混合物的密度，通过下面公式进行计算：

ρv和ρι分别为汽相和液相的密度，α为空泡体积分数。τ为应力张量，可以表示为：

其中，I为Kronecker算子；µm为汽液混合物的黏度，通过下面公式计算：

截止阀的空化计算采用SSTk-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型来进行。设置计算残差为10-5，当出口边界上的平均质量流量保持稳定，或者是计算残差已经低于10-5时，便认为计算过程收敛。

3 结果讨论

当介质流经截止阀的入口时，截止阀的结构设计使得截止阀流通面积减小，导致了截止阀入口位置的介质流速比上游管道中的介质流速要大。当介质流经阀瓣底部时，阀瓣对介质的流通产生了较大的阻碍，介质在阀瓣与阀体的间隙中流动，介质的流通面积更小，使得阀瓣底部的介质速度变得更大。阀瓣周围的流场非常紊乱，特别是阀腔内的介质速度要比主管道中的介质速度慢很多。介质在经过阀瓣与阀体的间隙后进入下游管道时会形成高速射流。随着截止阀进口速度的增加，截止阀出口段流出的介质速度也在增加，尤其是截止阀出口位置的底部，当进口速度为5.5 m/s时会形成一个高速区域。

随着截止阀进口速度的增加，截止阀上游管道中的压力也在逐渐增大。在靠近截止阀出口的位置，会产生一个低压区，并且随着进口介质流速的增加，低压区的压力会越来越低。在上游管道处，介质的压力比较平稳；截止阀内部的介质会有非常明显的压力波动，入口速度越大，压力波动的范围也越大；在截止阀的下游管道处，两种情况下的介质压力又都下降到相同的压力值。还能发现，在截止阀的内部，压力出现了降低至常温水的饱和蒸汽压的情况，特别是当介质的入口流速为5.5 m/s时非常明显，说明截止阀的内部极有可能发生了空化现象。

图3为介质速度分别为3.5 m/s和5.5 m/s的情况下，截止阀内部的蒸汽相体积分布（蒸汽相的体积为10%），图中蓝色（深色）部分代表的是蒸汽相在截止阀内所占据的体积。能够发现，随着介质进口流速的增加，截止阀内部的空化现象会得到增强。当介质的流速为3.5 m/s时，截止阀内部的蒸汽相体积非常小，空化主要发生阀体右侧的密封面附近。随着介质流速的增加，当介质的流速为5.5 m/s时，截止阀内部的蒸汽相体积变得非常大，空化不仅会发生在阀体右侧的密封面附近，阀瓣密封面附近也附着有大面积的蒸汽相，并且阀座密封面和阀瓣密封面上的蒸汽相区域会逐渐发展成为一个整体，延伸至截止阀的出口附近。由于在发生空化的过程中，会伴随着空泡的产生和溃灭，空泡溃灭产生的能量会冲蚀空泡附近的壁面，因此，在截止阀的设计过程中应当加强截止阀阀座密封面和阀瓣密封面的强度，减少空蚀现象造成的危害。

图3 截止阀内部的蒸汽相体积

4 结语

截止阀广泛应用在各种管道输送系统中。本文通过采用SSTk-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型相，对截止阀内部的介质流动和空化现象进行了研究。结果表明，阀瓣周围的介质流场非常紊乱；介质在经过阀瓣与阀体的间隙后会形成高速射流；截止阀的出口位置会形成一个低压区，介质流速的增加会使得低压区的压力降低；介质在截止阀内部会出现压力波动；压力波动的范围随着入口速度的增加而扩大；空化现象主要集中在阀座密封面和阀瓣密封面上；介质流速的增加使截止阀内部的空化现象增强。