摘 要：针对超超临界火电机组高温减压调节阀（361阀）普遍存在的空蚀问题，结合合川电站361阀在实际使用中出现的三通底板空蚀现象，基于两相空化流动控制方程，采用Fluent软件对该阀的内部流场进行了数值分析。数值模拟结果表明：空蚀现象是引起这类阀门失效的一个重要原因，这与实际失效分析结果基本吻合，从而验证了该数值分析方法的合理性。

关键字：361阀 空蚀 失效 Fluent软件 结构优化 数值模拟

超超临界火电机组高温减压调节阀（361阀）等高端关键阀门主要集中应用在锅炉岛、汽轮机岛和4大管路系统上（主蒸汽管道、主给水管道、再热器冷段与热段管道、汽轮机各段抽汽管道及高低压旁路系统管道）。目前，我国超超临界机组600MW，1000MW关键调节控制阀门主要依赖进口。本文针对合川电站361阀出现的严重空蚀现象，利用Fluent软件对该阀门内部流场进行数值分析，研究高温高压下流体的空化现象对阀门流场的影响，分析了造成阀门严重失效的原因，并提出了相应的改进方案。

1 空化现象及阀门流体模型

合川电站361阀在运行110h后三通底板被击穿（图1），但阀芯和阀座均无冲刷、磨损现象，密封元件无损坏。三通底板被蚀穿主要发生在机组快速升负荷至直流负荷前阶段，该工况下阀杆的行程为整个行程的13.5%，此时，阀内介质会流过一个窄小的喉口。根据文丘里效应，介质流过喉口时压力会急剧减小，在温度不变的情况下，压力减小会使得流过喉口的部分流体汽化。分析阀门的进出口条件可知，工作进、出口压力的比值在10以上，属于流体流动中的极端情况，这势必会在低压区域出现强烈的汽化现象，从而使得局部区域密度发生变化。气泡的产生会影响阀门的流通能力，且原来不溶于介质的气体也会随之溶入气泡，使得阀内流体发生紊流。汽液混合流动是一种典型的湍流，当气泡溃灭时，会产生很大的瞬时压强和冲击波，如果气泡的溃灭发生在阀体壁面附近，则会对壁面产生极大的破坏，这种现象在工程上称之为空化现象，由空化引起的零件内壁材料剥落、出现凹坑的现象称之为空蚀。合川电站361阀就是在三通附近出现了严重的空蚀现象，从而导致三通底板被蚀穿。

图1 阀三通底板空蚀

由于空化现象是瞬时的、微观的，具有很大的随机性，其在流动中极为复杂，不仅会造成阀门内部流动紊乱，而且会对整个管配系统产生影响。

为此，本文采用简化的二维平面模型对阀内流体部分进行模拟，几何模型如图2所示。利用AN－SYS　ICEM模块对其进行网格划分，由于喉口部分流场特性复杂，对该部分加密网格（图3）。

图2 阀内流体部分几何模型

图3 流体部分二维网格

Fluent提供的湍流模型为：单方程（Spalar－All－maras）模型，双方程模型（标准k－ε模型、重整化群k－ε模型、可实现k－ε模型）及雷诺应力模型和大涡模拟。其中，k－ε模型的适用范围较广，且对于剪切流、自由流、边界流等模拟效果都比较好，因此本文采用该模型进行分析。

2 空化模拟理论基础

2.1 流体基本控制方程

流体分析通常采用拉格朗日法和欧拉法，二者都是将流体微团作为分析的微观对象。计算流体力学的数学描述是建立在流体流动所遵循的物理规律上，流体的运动都遵守质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。

1）质量守恒方程

质量守恒方程又称为连续性方程，即单位时间内流体微元体中质量的增加等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。

    （1）

2）动量守恒方程

上式对于任何流体都适用。式中，p为流体微元体上的压力；τ_xy，τ_yy，τ_xz等为由于黏性作用产生在微元体表面上的黏性应力的分量；Fx，Fy，Fz为微元体上的应力。

3）能量守恒方程

式中，c_p为比定压热容，T为温度，k为流体的传热系数，S_T为黏性耗散项。

2.2 空化物理模型方程

Fluent提供了完全空化的模型，并提供了另外2种其他算法，3种模型即为Singhaletal模型，Zwart－Gerber－Belamri模型和Schnerr　and　Sauer模型。Fluent空化模型提供了相应的质量输运方程，在气泡动力学方程的基础上引入质量的转换，从而能够更好地模拟两相在空间真实的分布。

1）气泡动力学方程

    （6）

式中，ρ_l为液相的密度，p_B为气泡表面压力，p为远场压，S_RB为气泡半径。式（6）忽略了液相表面张力相。

2）气相输运方程

式中，α为气相的体积分数，ρν为气相的密度，Re和Rc分别为气相生成和溃灭的质量输运源项。

3）Schner and Sauer模型定义输运方程

式中，ρ_l为液相密度，ρ为平均密度，p_V为汽化压力。

3 模拟结果及分析

3.1 阀门的流通能力计算

流通能力是阀门的基本参数能。本文首先对阀门在静态下的流通能力进行了模拟。根据通用阀门流量系数和流阻系数计算方法（JB/T—5296—91），得出不同开度下阀门的流量系数和流阻系数如图4、图5所示。从图4可以看出，在不同开度条件下流量系数曲线基本呈线性变化，满足361阀的设计要求。从图5可以看出，阀门开度在13%以下流阻系数较大，开度超过13%后流阻系数趋近平稳，较好地达到了361阀的设计要求。

图4 不同开度下阀门流量系数

图5 不同开度下阀门流阻系数

3.2 阀门的空蚀分析

361阀三通底板被蚀穿时开度为13.5%，此时阀门开度较小，介质流过喉口时压力急剧减小，介质被汽化，而且汽化先出现在阀壁面附近。随着介质距离喉口越远，压力有所恢复，由于经过喉口时有能量损耗，恢复的压力比通过喉口前稍低，但也会使得部分气泡被压缩，导致气泡溃裂。在气泡溃裂的过程中会释放极大的脉冲能量以及微射流，其压力可达到数十兆帕以上，强大的冲击能量在短时间内反复冲击壁面，导致壁面形成蚀坑，同时还会诱发阀壁的震动，最终导致阀门失效。

阀门介质速度和汽液分布模拟结果如图6、图7所示。从图6可以看出，阀门转弯处的介质速度很大，达到了114m/s，而在常规的阀门设计中，流体介质的速度仅为80m/s。在超超临界机组阀门的设计中，过热蒸汽的流速在150m/s以下。该361阀内介质在高速流动过程中，气泡反复撞击壁面，这是导致三通处的阀壁严重破坏的主要原因。另外，从图7可以看出，在流体介质流过喉口后有极大部分区域被汽化，汽化产生的气泡极大地干扰了原有的流动，而且流速极高，撞击在阀壁上对三通底板产生致命的损伤，这也是导致阀门失效的重要原因。模拟结果表明，361阀底板附近流体速度较大，内部流场产生强烈的空化现象，底板附近产生较强的涡流，这与该361阀实际的破坏情况一致，证明了该分析方法的合理性。

图6 阀门介质速度分布

图7 工况下汽液分布

3.3 阀门的结构优化

从上述分析可知，高速的介质撞击阀壁产生蚀坑是阀门失效的主要原因。对此，可以在三通处加长尾管，以降低此处的介质流速，缓冲由于方向的急剧变化带来的冲击。加长尾管后的模拟结果如图8、图9所示。从图8可以看出，加长尾管后，明显降低了转弯处三通底板的流体速度。这不仅改善了其他区域的流动，而且由于速度的降低，三通底板处的能量明显降低，解决了在此类阀门使用中由于空化现象对底板的冲蚀，提高了阀门的使用寿命。另外，从图9可以看出，加长尾管后，有了一定的缓冲空间，使得阀内流动均匀，在三通底板处的汽相分布较少，整个流动的紊乱程度减弱。结构优化前、后阀门三通底板处流场的压力、速度以及汽相分布见表1。

图8 优化后阀门介质速度云图

图9 优化后汽液分布

由表1可见，改进后底板的压力降低了18.09%，流体速度降低了50.45%，拐弯处汽相分布明显减少，涡流现象明显减弱。

表1 优化前、后底板的压力、速度及气相分布

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