大口径轴流式调节阀空化不稳定与抑制研究

       为解决轴流式调节阀控制精度低、出现阻塞流以及空化等问题，本文通过数值模拟方法对轴流式调节阀进行流场特性研究，并利用NI USB数据采集工具和Labview上位机开发，对调节阀的压力、流量进行了数据采集，研究调节阀内部流场的物理变化规律。结果表明：对套筒结构参数进行优化设计，笼罩的多级压降可较好地满足设计工况下的流量与压降要求，其中三层笼罩结构具有良好的空化抑制作用，达到了提高调节阀的控制精度、避免阻塞流以及抑制空化的目的。本研究为同类型轴流式调节阀的结构设计提供理论支撑。

概述

轴流式调节阀在水利水电、长输管线、供水工程、燃气工程以及大型航空航天测试系统中均有广泛应用。在水利方面，轴流式调节阀主要用于调节管道介质流量、流态以及管网压力，通过专用的四杆机构传动装置驱动阀芯移动，从而改变笼罩的窗口面积实现介质压力、流量的控制。通常阀的流量随着阀进出口压力差的增大而增大，但当压差增加到一定时，流量将不随压差的增加而增加，从而导致流动受阻。当介质流经节流元件后压力低于其工作温度下的饱和蒸气压时，存在部分液态介质气化为气泡且随液体介质继续流动，当恢复压力大于饱和蒸气压后，气泡不断破灭，此种现象被称为空化。气泡产生破灭的冲击能会对阀内零件造成极大的损坏，因此消除或弱化空化危害是阀门行业的研究重点。

据有关报道，空化是很难完全消除的，只能尽可能地弱化其危害。空化现象的抑制主要有改进阀门结构或者强化阀门内表面两种方法；其中，优化阀门结构、改变节流方法并确定合适的阀门参数是抑制空化的主要手段。目前，轴流式调节阀的研究主要集中在开度调节的结构设计和测试装置的研究。冯万平等针对大口径轴流式调节阀的流量特性和流阻特性未开发相应的测试装置、设计周期较长以及无法实现此类阀门的准确选型等问题，以某阀门企业生产的高轴流式调节阀为例，结合热应力相关知识得出500 ℃高温工况的热间隙补偿方案，为高温轴流式调节阀的运动副优化及研制提供了可靠的借鉴意义。而针对大口径轴流式调节阀空化抑制还需进一步研究。

因此，本文针对某阀门企业所生产的轴流式调节阀，在测试调压过程中出现阻塞流以及空化现象问题，通过多相流流动的基本控制方程、气泡空化流动控制方程，利用FLUENT软件进行数值模拟，分析轴流式调节阀在关键流场区域的瞬时流态、流量特性曲线，并对比不同结构下的流场空化程度，优化笼罩结构，以实现空化抑制的目的。

轴流式调节阀设计

轴流式调节阀的结构如图1所示，主要由前阀体、中阀体、后阀体、笼罩、阀芯、导向机构和曲柄滑块机构等组成。中阀体内有多条顺流向的加强筋板将阀体与阀内零件相连，从而构成一个完整的环形流道。阀芯在导向机构的作用下，沿着轴线做轴向移动，进而实现阀门的开启和关闭。当阀芯轴向移动时，阀门笼罩上流量调节窗口的面积将发生相应变化，从而实现调节阀的开度变化，完成对介质流量的调节。通过更换不同的阀芯，即开设不同的窗口，改变调节阀的控制特性，以满足不同的流量调节需求。

1.前阀体 2.中阀体 3.后阀体 4.笼罩 5.阀芯 6.导向机构 7.曲柄滑块机构

图1调节阀结构示意图

根据轴流式调节阀运行工况的要求，本文设计出该工况要求下的调节阀参数，技术参数如表1所示。调节阀流动介质为60 ℃的工业水，质量流量W为2200 m³/h，阀前压力为1.5 MPa，阀后压力为0.15 MPa。根据表1给出的调节阀工况数据，在此工况下，若使用常规调节阀，将会因阻塞流而造成空化现象。因此，需采用多级降压的方式抑制空化的产生，其核心思维是将各级阀座和阀杆间的压降降低至阻塞流压差内。根据多级降压原理，得到的计算公式如下：

（1）

式中  Δp——非阻塞流压差，MPa

Δp₁——第一级压降，MPa

表1  调节阀技术参数

根据阻塞流公式可知，一级降压必定产生阻塞流现象，从而导致严重的空化现象，造成调节阀疲劳腐蚀。考虑到轴流式调节阀的结构特点和阀芯的安装位置，此调节阀可采用二、三级并联式结构，并通过公式（1）计算降压条件下的各级流量系数。由调节阀相关经验可知，流通面积S约等于16.98倍的流量系数C_v，因此得出此阀各级流量和面积的数值，经验公示如式（2）所示。

（2）

式中  γ——介质工况温度下重度，N/m³

Δp_sizing——各级工作压降，MPa

 数学模型建立 

根据设计图纸和技术要求，建立调节阀的结构模型，如图2所示，忽略倒角、螺纹以及细小孔洞等对流场分析影响较小的特征。为保证调节阀接近真实工况，调节阀进出口的介质处于稳定状态，避免回流对流场的影响，分别将进、出口端的流场增加了7倍管口直径长的管道。随后利用Geometr模块和Mesh模块进行流道抽取和网格划分。由于调节阀阀芯和笼罩形成的喉口处压力梯度变化较大，故对此处的网格进行加密处理，网格划分结果如图3所示。通过查取饱和蒸汽表，60℃介质水在该工况下的压力、温度处于动平衡，介质状态不易发生相变，但需关注小开度情况下的相变情况。此外，将进口边界条件设置为压力进口，出口边界条件设置为压力出口，选择湍流k-ε模型，采用稳态算法进行求解。

图2  调节阀三维模型示意图

图3  调节阀网格划分示意图

模拟结果分析

调节阀在相对开度20%~80%之间工作，本次数值模拟以20%的相对开度增量对不同套筒层数的调节阀模型进行数值模拟。通过对调节阀内部的速度场、压力场以及气相体积分数呈现出的变化规律进行提取和分析，得出调节阀的流动规律、减压效果和空化程度，找出较为合理的阀门参数。

速度场分析

在速度场方面，二层、三层笼罩4个开度下的流场分布如图4和图5所示，可以看出介质进入套筒控制阀后，从前阀体流向后阀体上腔，并被阀门的笼罩分成多股水流，通过笼罩的孔口进入中心空腔。多股水流在中心腔和底部腔的结合处汇合，最终流向阀门的出口。当介质流过笼罩的孔口时形成射流，在喉口处速度最大。两层笼罩时的最大流速在54~59 m/s之间，三层笼罩时的最大流速在45~55 m/s之间。对比二层、三层笼罩的4个开度发现，随着开度的增加，流体流过套筒的阻力减小，最大流速呈现出减小趋势，经过节流孔后的流速不超过30 m/s。因此，根据文丘里效应可知，流速增大压力将减小，介质节流孔中极大可能会发生空化现象，在后续的压力场和气相体积分数的分析中，应重点关注节流孔中的变化规律。通过CFD-Post后处理得到出口的流量约为2198.83 m³/h，与工况流量要求的2200 m³/h进行对比，误差在1%以内，证明二层、三层笼罩均能满足流量要求。

(a)20% (b)40% (c)60% (d)80%

图4二层速度云图

(a)20% (b)40% (c)60% (d)80%

图5三层速度云图

压力场分析

在压力场方面，二层、三层套筒调节阀模型的压力分布如图6和图7所示，随着介质水从阀门的入口流向出口，其压力逐渐从1.5 MPa下降到0.15 MPa。通过图6可以看出，介质经过二层套筒节流孔后的压强均骤降，其中20%开度下的最低压强为-0.045 MPa，40%开度下的最低压强为-0.0007 MPa，60%开度下的最低压强为0.05202 MPa，80%开度下的最低压强为0.06391 MPa，对比工况下介质的饱和蒸气压p_v（p_v=0.0199 MPa）发现，此现象将导致小开度情况下该区域发生空化。由于空化产生的气泡随着压强变化而逐渐破裂，产生的巨大表面应力将反复作用于壁面，导致材料疲劳失效并分离脱落。由图7可以看出，介质经过三层套筒的逐层减压后，20%开度下的最低压强为0.05758 MPa，40%开度下的最低压强为0.06837 MPa，60%开度下的最低压强为0.08125 MPa，80%开度下的最低压强为0.09517 MPa。对比工况下介质的饱和蒸气压p_v，调节阀内最低压强均为低于饱蒸汽压。由此可见，三层套筒对空化现象的抑制作用较二层套筒效果明显，三层套筒模型在该工况条件下可有效地抑制空化现象。

(a)20% (b)40% (c)60% (d)80%

图6  二层压力云图

(a)20% (b)40% (c)60% (d)80%

图7 三层压力云图

图8为笼罩附近采样点1~800的压力变化曲线图。由图可知，流体介质进入笼罩后，压力从1.5 MPa迅速下降。在笼罩层数相同的情况下，压力梯度随着开度的增大而减小。随着流体在阀内的流动，阀后段的中腔存在一个压力恢复区，压力逐渐恢复到0.15 MPa并趋于稳定，这是由于笼罩节流孔处的喷流和笼罩底部结构所致，压力的不均匀性使得阀内的流动呈现出不稳定趋势。对比图8（a）和（b）发现，二层笼罩在压力下降过程中，不同开度的最小压力值相差较大，而三层笼罩在不同开度下的调压均表现出了良好的性能，未出现低于饱和蒸气压的情况；同时，经过三层笼罩的低压区压力恢复比二层笼罩的低压区压力更加平稳，因此三层套筒的减压效果更为显著，流体在经过三层套筒的逐层减压后，压力变化更加平稳，且最低压力值较高，有利于抑制空化现象的发生。此外，在不同开度下，笼罩附近采样点压力变化曲线呈现出的规律相似；但开度越大，压力降的幅度越小（随着开度增加采样点的压力最小值在增加），这进一步验证了数值模拟结果的准确性和合理性。

(a)二层采样点压力变化曲线 (b)三层采样点压力变化曲线

图8 采样点压力变化曲线

结构参数对空化特性的影响

图9为二层、三层笼罩在开度为20%、40%、60%、80%的气相体积分数。可以看出，二层笼罩在开度为20%、40%、60%、80%的气相体积分数分别为0.92、0.90、0.90、0.50，三层笼罩在开度为20%、40%、60%、80%的气相体积分数分别为0.22、0.13、0.09、0.05；对比调节阀在相同开度下的二级和三级减压笼罩，三级减压过程中空化强度呈现出有效减小趋势，随着空化强度的降低，调节阀内部流场在此工况下的汽蚀现象可有效抑制。此外，通过对比同一减压层级下的不同开度可知，气相体积分数随着开度的增加而逐渐减小，开度在60%之后不再增加。根据气相体积分数的分布情况，选取三级笼罩减压能够保证调节阀在结构设计合理、制造成本较低的情况下，有效抑制空化现象。

(a)二层气相体积分数 (b)三层气相体积分数

图9 气相体积分数分布情况

试验验证

为验证上述理论分析和数值模拟结果的准确性，在设计工况下进行了调节阀的中试试验，试验装置及流程见图10。通过NI USB数模转换装置，使用Labview进行上位机开发，对调节阀的压力、流量进行数据采集。

图10 中试试验及数据采集系统

中试试验装置的实验结果表明，1.5 MPa的介质压力经过三级减压后能够达到良好的降压效果，流量满足设计要求。调节阀经过长时间运行后，观察内部零部件未发生明显变化，但汽蚀现象为金属材料疲劳腐蚀的过程，需长期积累，且目前的空化可视化试验装置成本较高，因此本次中试暂未对空化可视化试验进行研究。

结语

对轴流式调节阀笼罩结构进行了结构优化设计，并对其笼罩式多级降压进行了流场特性分析。通过数值模拟和中试试验相结合的方法，研究了不同结构参数对流量、压力以及空化的影响，得出主要结论如下：

（1）由轴流式调节阀的速度场分布得出二层、三层笼罩的多级降能较好地实现工况2200 m³/h的流量要求，流量仿真值与工况要求误差不超过1%，最后一级套筒出口流速不超过30 m/s。但调节阀笼罩附近的流场变化较为复杂，流速较高，应重点关注。

（2）由轴流式调节阀的压力场和气相体积分数分布得出二层、三层笼罩均可实现介质压力从1.5 MPa降至0.15 MPa的工况压降要求，满足压差运行工况。对比二层、三层笼罩的气相体积分数，发现两层笼罩由于压力梯度变化较大，在40%以内的小开度情况下会发生空化现象，最大气相体积分数达到了0.92；而三层笼罩结构，在整个开度分析过程中，最大气相体积分数为0.22，结合压力云图可知最小压力出现在20%开度下，为0.05758 MPa，未低于饱和蒸气压，故三层笼罩具有良好的空化抑制作用。

（3）利用NI USB数据采集工具和Labview上位机开发，对调节阀的压力、流量进行了数据采集，结果表明1.5 MPa的介质压力经过三级减压后能够达到良好的降压效果，流量满足设计要求。但由于空化可视化试验装置成本太高，因此本次中试暂未对空化可视化试验进行研究。

*本文节选自《阀门 · 学术版》2025年第5期，文章内容不代表个人立场，如有不同观点，可留言，友好交流，共同进步。