高压调节阀结构改进与汽蚀仿真

引言
目前，高压调节阀在国内的使用越来越广泛，促使 国内外厂家在材质和结构上作了大量探索，常用的抗 汽蚀结构有： 多层套筒型结构［1］、迷宫型结构［2－5］、串 联型结构［6］。针对阀门的汽蚀问题，国内外学者做了 大量的研 究 工 作。 刘 芳［7］ 分 析 管 路 中 控 制 阀 可 能 出
现的闪蒸和空化的原因并阐述了闪蒸和空化造成的危 害，同时分析了产生阻塞流的原因。邢辉［8］分析比较 国内外防止汽蚀失效的现有技术，结合调节阀的实际 状况，提 出 管 路 压 降 优 化 设 计 的 方 案 设 想。 FRANZONI F［9］耦合了湍流模型和空化模型，对调节 阀进行了数值模拟，获得了阀门内的压力场和速度场
收稿日期： 2018-07-12 作者简介： 彭健（ 1994—） ，男，安徽安庆人，硕士，主要从事特 种阀门的研究工作。
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液压与气动
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道内介质的压力、速度、液相分率和磨损率等参数的分
布，运用数值模拟方式分析阀门失效原因。 目前，国内 外 对 高 压 调 节 阀 的 结 构 改 进 以 及 汽
蚀具体情况的研究并不多。本研究运用 Fluent 对改 进前后的高 压 调 节 阀 汽 蚀 情 况 进 行 模 拟 仿 真，探 讨 高压调节阀 产 生 汽 蚀 的 原 因，并 进 一 步 优 化 阀 芯 结
PENG Jian，HE Shi-quan
（ School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing，Jiangsu 211816）
Abstract： In view of the fault of high pressure regulating valve with short lifespan，one optimized structure of high pressure regulator valve is proposed based on a series-connected multistage step-down structure． A series of data including static pressure，velocity and gas phase volume fraction are obtained by the software Fluent ANSYS to simulate the cavitation inside the valve． The effect of multistage depressurization on valve performance is also discussed． The results show that a valve is easy to generate cavitation when the valve is in a small opening，and the cavitation is mainly located in valve spool and seat of throttling hole； Under the same condition，the optimized regulating valve can effectively resist cavitation，thus improving the service life of the valve． Key words： regulating valve，multistage depressurization，Fluent，cavitation，optimizing structure
摘 要： 针对高压调节阀使用寿命偏低的问题，以串联型的多级降压结构为基础，提出一种优化的高压 差调节阀结构。采用 ANSYS Fluent 对阀门内部的汽蚀现象进行仿真研究，得出静压、速度、气相体积分数等 一系列数据，并讨论多级降压结构对阀门性能的影响。结果表明： 阀门处于小开度下，容易产生汽蚀，汽蚀部 位主要位于节流孔的阀芯与阀座处； 相同工况下，优化后的调节阀能够有效抵抗气蚀，从而提高阀门的使用 寿命。
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doi ∶10． 11832 / j． issn． 1000－4858． 2019． 03． 020
高压调节阀结构改进与汽蚀仿真
彭 健，何世权
（ 南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 211816）
并重点观察了阀芯型线对空化和汽蚀的影响，为阀芯 的优化设计提 供 了 参 考。 金 浩 哲［10］ 基 于 液 控 调 节 阀 的研究表明，当入口处的压力增大时，会导致节流孔处 的流体流速加快，当压力增大到临界值，会导致阀芯顶 部产生空化区。AN Y J 等［11］利用 CFD-ACE 代码对 高压降控制阀进行了数值仿真，研究和分析控制阀的 流动特性，针对分析结果开发了 LNG 海洋系统中使用 的抗汽蚀控制 阀。 干 瑞 彬［12］ 研 究 调 节 阀 空 化 场 中 流
构，以达 到 阀 芯 利 用 率 和 阀 门 使 用 寿 命 最 大 化 的
目的。
1 汽蚀产生机理
1． 1 汽蚀产生原因
流体在流经阀门节流孔的缩流截面时，流速增大，
压力下降，如图 1 所示，p1 为阀门入口压力，pvc 为阀门 缩流截面处的压力，pv 为液体饱和蒸汽压。当静压小 于液体饱和蒸汽压时，液体汽化，这一现象称为闪蒸。 流体流过节流孔后，流速下降，压力恢复，若此时阀门 出口压力 p2 仍小于饱和蒸汽压，则阀门仅有闪蒸工 况； 若压力恢复到大于液体饱和蒸汽压时，闪蒸产生的 气泡破裂变为液体状态。此时气泡破裂释放的能量会
关键词： 调节阀； 多级降压； Fluent； 汽蚀； 结构优化 中图分类号： TH137 文献标志码： B 文章编号： 1000-4858（ 2019） 03-0120-06
Structural Improvement an源自文库 Cavitation Simulation of High Pressure Regulating Valve