极地船蝶阀及管道内不同开度下海水—冰晶两相流流场特性及冲蚀数值模拟

徐 立，罗 梁，张诗洁，尹石军，杜鹏程

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063;(2.招商局重工(江苏)有限公司，江苏 南通 226100)

极地船在浮冰较多的海域航行时，破冰后产生大量细小的冰晶，与液相海水形成海水—冰晶两相流进入海水的冷却管系中，细小的固态冰晶会对海水管路及与管路中连接的阀门等设备造成严重的冲蚀磨损[1]。蝶阀在船舶上的运用非常广泛，主要起调节和切断海水介质的作用[2]，而冲蚀磨损是其常见失效形式。

本文选取极地船海水冷却管系中蝶阀及连接管路为对象，利用Fluent模拟出蝶阀在分别在 30°(小开度)、60°(大开度)和90°(全开)的开度下，海水—冰晶两相流在其中的流场特性和冲蚀磨损，为极地船舶的安全性提供参考。

1 数学模型

1.1 离散相轨道模型

离散相冰晶颗粒的轨道通过公式(1)求解：

(1)

式中,u和up分别为连续相海水和颗粒相冰晶的运动速度；ρ和ρp分别为海水和冰晶的密度；gx为x方向重力加速度；FD(u-up)为质量曳力；Fx为x方向上的其他作用力，包括质量力、热泳力、布朗力等。

1.2 冲蚀模型

本文采用Tabakoff等提出的冲蚀模型：

(2)

f(θ)=5.4θ-10.11θ2+10.93θ3-6.33θ4+1.42θ5,

(3)

式中,ER为管壁冲蚀磨损率；N为撞击壁面的冰晶粒数；mp为冰晶质量流量；f(θ)为撞击角的函数；Aface为管壁计算面积；b(v)为相对速度的函数；C(dp)为粒径函数；θ为撞击角。

1.3 壁面碰撞恢复方程

冰晶撞击壁面后会反弹，将冰晶颗粒运动速度分解为法向和切向速度，其反弹恢复系数方程表达式为：

(4)

式中,εN是冰晶颗粒法向速度反弹恢复系数，εT是冰晶颗粒切向速度反弹恢复系数；up1、up2为冰晶碰撞前后的法向速度；νp1、νp2为冰晶碰撞前后的切向速度；θ为撞击角。

2 几何模型及边界条件

2.1 几何模型

本文选取船用中心型蝶阀，蝶板直径200 mm，上游管长500 mm，为保证阀后的出口段满足充分发展的条件，取下游管道长度为1 500 mm。海水管道及蝶阀的材料为碳钢，密度7 800 kg/m3。利用Solidworks软件建立的模型如图1所示。

图1 蝶阀管道的三维模型

图2为模型在y=100 mm截面处的示意图，图中α为阀板的开度，α=0代表阀板为关闭状态，α=90°为阀板全开状态。

图2 模型在y=100 mm截面处示意图

在ICEM软件中采用非结构网格划分，对阀板周围和管壁的边界层进行网格加密，以更精确得捕捉冰晶颗粒对壁面条件的冲蚀效果。划分后网格总数为45万，如图3所示。

图3 流体域网格划分图

2.2 边界条件及物性参数

在Fluent平台上采用RNGk-ε湍流模型和DPM离散相模型。入口速度2 m/s，假定冰晶颗粒为球形，直径500 μm，忽略冰晶颗粒间的碰撞和自身的旋转[3]。采用标准壁面函数法，无滑移边界条件。压力速度耦合采用Simple算法，其他项的求解均采用二阶迎风格式。在标准大气压下海水—冰晶两相流的物性参数如表1所示[4]。

表1 海水—冰晶两相流物性参数

3 模拟结果及分析

3.1 不同开度下的流场特性

图4和图5分别为30°、60°和90°开度下蝶阀管道内流场的压力云图和速度矢量图，可看出：阀前入口段的压力最大且较均匀，流场在阀板处经过一段距离的复杂波动后趋于稳定，管道出口端的压力较初始值减小产生压力损失，而出口速度较初始值有所增大。此外，蝶阀的开度越大，流场整体越趋于稳定，90°全开时流场的变化梯度最小且过渡区域比较大，流态相对平稳，压力场和速度场均呈现近似对称性。

各开度下的速度场均存在2个高速区，30°和60°时的高速区在阀板两侧边缘及之后靠近管壁的一段距离，90°全开时的高速区在阀杆周围，凸起的阀杆对海水流动形成了阻隔。高速区压力较阀前管段大幅度降低，这是因为节流时的管道过流截面减小，由伯努利定律知流体在流经缩小的过流断面时流速增大而压力降低。

图4 不同开度下的压力云图

图5 不同开度下的速度矢量图

各开度下流场的最大速度为：30°时为21.68 m/s，较入口速度增大了10.84倍；60°时为5.62 m/s；90°时为2.70 m/s，较入口速度只增大了0.70 m/s。可知随着阀板开度的增大，流场的最大速度大幅度减小，且最大速度均产生在高速区内。

阀板前后的压力变化剧烈且分布不均。迎流面的压力整体较高且流场的最大压力产生在其离入口较近的半面，因为此面是海水流进时遭受冲击的第一个阻挡面，后续流进的海水压迫前面的海水并与壁面不断挤压。在30°、60°和90°时阀板前后的压差分别为2.51×10-2MPa、1.15×10-2MPa及9.41×10-4MPa。可知，开度越小，阀板前后的压差越大，且增长剧烈，而压差过大有爆管、空化或振动噪声等风险，能量损失也多。此外，30°和60°时流场的不稳定性较大，阀板背流面及其后的一段距离出现了负压区域，且均有涡旋流动存在，90°全开时涡流消失，低压区集中在蝶阀背流侧周围且范围相对较小。

3.2 不同开度下的冲蚀结果

图6为各开度下海水管道壁面的冲蚀云图。将蝶阀所在位置的管道顶部壁面(图中top)和管道底部壁面(图中down)进行放大，并标出阀板在管道中的轮廓线。

图6 不同开度下海水管道壁面的冲蚀云图

可以看出，蝶阀开度对冲蚀结果有明显影响，开度越小，冲蚀磨损的程度越大，但各开度的冲蚀规律基本相同。以图7即60°时的沿程冲蚀速率为例，并结合冲蚀云图来看：阀前管段因为流场较稳定，冲蚀速率非常小，冲蚀主要产生在与阀杆相垂直的管道壁面及之后的一段位置上，因为经过蝶阀的节流后，海水与冰晶的动量交换加剧，冰晶颗粒与壁面的碰撞和挤压加剧，碰撞频率大且次数多，导致此处的冲蚀速率最大。另外，最大冲蚀均产生在海水管道顶部(top)的壁面上，这是因为冰晶的密度比海水密度小，在浮升力的作用下上浮，导致冰晶颗粒多聚积在管道上部而造成更大冲蚀。在阀后管段，流态逐渐平稳，冲蚀速率随之减小。

图7 60°时的沿程冲蚀速率图

图8 不同开度下阀板的冲蚀云图

不同开度下阀板上的冲蚀结果如图8所示，其冲蚀主要集中在迎流面的2个侧边缘及阀杆上，90°全开时由于高速流体都在阀杆附近，冲蚀主要发生在迎流侧和阀杆上，对管壁的冲蚀较小。各开度下阀板背流面几乎没有产生冲蚀，但由于存在负压区域，可能会遭受气蚀。此外，长时间受冰晶颗粒的冲蚀可能导致阀板边缘磨损变形。

各开度下的最大冲蚀速率分别为：30°时为7.99×10-5kg/(m2/s)，60°时为8.97×10-7kg/(m2/s)， 90°时为7.43×10-8kg/(m2/s)。可知，最大冲蚀速率随开度的增大而明显减小，如图9所示。结合流场分析，同一位置的流速不同，造成的冲蚀也不同，开度越小，阀板两侧的流通区域的速度越大，阀板边缘及邻近管壁承受流体的冲击越大，故产生成的冲蚀磨损更大。另外，管壁的最大冲蚀速率高于相同开度下阀板的最大冲蚀速率，60°时前两者的差值非常明显，说明开度较小时还会导致管道比阀板遭受的冲蚀更严重。

图9 各开度下阀板及管道的最大冲蚀速率

4 结束语

1)蝶阀的开度越大，流场越稳定。流场的最大速度随开度成反比关系，30°时的最大速度较入口速度增大了10.84倍，且不同开度的最大速度均产生在阀板两侧与管壁间的高速区内。

2)流场的最大压力产生在阀板迎流面(侧)，阀板后存在负压区域，且涡流现象随开度的增大而减弱直至消失。阀板前后的压差随开度的减小而明显增大，建议不宜在小开度下长时间工作。

3)蝶阀开度越小，冲蚀磨损的程度越大。最大冲蚀速率产生在与阀杆垂直的管道壁面上，且管道顶部的壁面比底部壁面的冲蚀更大，阀板上的冲蚀集中在侧边缘及阀杆。另外，相同开度下管壁比阀板的冲蚀更大，其在60°前体现更明显。