基于压力脉动分析的节流空化流场特性分析

石睿捷 宋 戈 付 豪 马航远 张 东

（北京航天动力研究所，北京 100076）

1 引言

在核电厂、航空航天、石油化工流体输送管道的系统设计中，通常在管道中设置节流装置用于流动参数调节和流量计量，由于节流装置极易造成过度节流，引起空化现象，使管道和设备产生的强烈的振动和噪声，同时空化形成的冲击对设备及管道形成严重的冲蚀磨损，对系统安全运行和现场人员人身安全造成隐患。空化现象是由于管道中液体的压力小于液体在当地温度下的饱和蒸气压，液体迅速汽化生成气泡，这些气泡运动到压力恢复区后又迅速溃灭变为液相，气泡溃灭后周围液体以高速冲向空穴区域，液体相互撞击使局部压力骤增，当这种冲击发生在管道或元件壁面时，会对材料造成冲蚀，影响材料的强度，引起管道的强烈振动。俞轲鑫[1]等对管道系统中的各类节流件的空化进行了仿真研究，表达了阻塞流发展过程中的局限性特征和阶梯型特征。刘子杨[2]等对给水旁通节流装置空化现象进行了仿真研究。何超[3]和毛庆[4～6]等对孔板空化诱发管道振动问题进行了试验和仿真研究，提出了三级节流孔板方案以消除空化。章昱[7]等对节流孔板空化进行了仿真研究，探究了空化与孔径和入口压力的关系。同时也有大量文献[8～10]对离心泵空化压力脉动特性进行了特征提取，对空化状态识别和诊断进行了分析研究。

目前用压力脉动信号分析方法对空化状态进行的分析研究大多集中在对离心泵空化的研究，对节流装置空化状态识别和诊断研究较少，并且当节流装置下游发生空化时，节流装置入口保持正压状态，而产生的负压会对表压传感器造成损坏。因此本文针对节流装置，以孔板为研究对象，对空化状态流场特性开展研究，通过标准偏差和小波分析方法探究节流装置入口压力脉动特性，为节流装置空化的状态识别提供理论依据和数据支撑。

2 实验装置及测量方法

2.1 实验装置

实验系统是泵压式流体输送系统，主要由泵机组、调节阀、流量计、节流装置和蓄水池组成，如图1所示。实验介质为纯水，由泵机组将蓄水池中的水增压，经过调节阀流经节流装置后排放回蓄水池。调节阀用于调节流量和节流孔板入口压力，涡街流量计用于测量流量。实验装置如图2所示，将节流孔板固定在一对法兰中间，节流孔板前后分别设置入口压力测点和出口压力测点，距离节流装置均为200mm。结合现有试验条件，管道通径为DN100，节流孔板孔径设置两种规格，分别为Φ50mm和Φ47mm。节流装置入口压力和出口压力由压力传感器测量。

图1 实验系统原理图

图2 节流装置示意图

2.2 实验参数与测量方法

设置7组实验，每组实验节流孔板及流量设置如表1所示。实验考察在节流装置在空化和非空化状态下的入口压力脉动特性。空化状态由测得出口压力确定，当出口压力为负压状态时，认为节流装置发生空化，当出口压力为正压状态时，认为节流孔板未发生空化。入口压力脉动信号采样频率为2500Hz。

表1 实验参数

3 实验结果与讨论

3.1 节流孔板入口压力脉动标准偏差分析

图3是Φ47mm节流孔板分别在26kg/s、29kg/s、49kg/s流量下的动态压力曲线。图4是Φ50mm节流孔板分别在26kg/s、45kg/s、62kg/s、88kg/s流量下的动态压力曲线。在节流孔板出口不加反压的情况下，针对入口压力脉动信号做标准偏差分析，标准偏差Sd可表征压力波动强度。图5是Φ47mm节流孔板分别在26kg/s、29kg/s、49kg/s流量下入口压力脉动的标准偏差Sd，其中26kg/s、29kg/s流量下节流孔板未发生空化，49kg/s流量下发生空化。图6是Φ50mm节流孔板分别在26kg/s、45kg/s、62kg/s、88kg/s流量下入口压力脉动的标准偏差Sd，其中26kg/s、45kg/s流量下节流孔板未发生空化，62kg/s、88kg/s流量下发生空化。Φ47mm节流孔板在26kg/s、29kg/s流量下，入口压力脉动标准偏差Sd均低于0.0020，当流量增大至49kg/s时，入口压力脉动标准偏差显著增大，高于0.0023。Φ50mm节流孔板在26kg/s、45kg/s流量下，入口压力脉动标准偏差较为接近，均低于0.00205，当流量增大至62kg/s时，入口压力脉动增大至0.0021，当流量增大至88kg/s时，入口压力脉动增大至0.0025。节流孔板在非空化阶段压力脉动较小，随着流量增大，节流孔板进入空化阶段，压力脉动显著增大，此时节流孔板下游低压区产生大量气泡，气泡运动呈现出髙幅值脉动特性。利用节流孔板压力脉动标准偏差分析可从时域角度对节流孔板空化进行状态识别。

图3 Φ 47mm节流孔板不同流量下的动态压力曲线

图4 Φ 50mm节流孔板不同流量下的动态压力曲线

图5 Φ 47mm节流孔板不同流量下的入口压力脉动标准偏差Sd

图6 Φ 50mm节流孔板不同流量下的入口压力脉动标准偏差Sd

3.2 节流孔板入口压力脉动小波分析

小波分析方法在信号分析处理及特征信息提取方面具有极大的潜力，被广泛应用于流体压力脉动信号的处理中。原始信号通过小波变换的方式被分解为具有不同频率范围的低频近似信号和高频细节信号。分解过程重复进行，直到达到理想的分解层数，如图7所示，图中D1、D2……为多分辨率分解的细节信号；A1、A2……为分解的近似信号。

图7 信号的分解过程

对Φ47mm节流孔板和Φ50mm节流孔板入口压力脉动信号选取DB5小波基进行小波分解，动态压力型号进行16层多尺度分解。本文所用分析方法是采用各尺度信号的标准偏差来分析各频段下波动的压力脉动特征。表2是各层细节信号所对应的频率范围。图8是Φ47mm节流孔板在26kg/s下压力脉动的小波16层尺度分解压力信号，17组动态压力曲线分别对应d1～d16及a16尺度，可以看出17组动态压力曲线波动频率逐渐减小，通过对17组动态压力信号计算标准偏差，得到压力脉动各频段下的波动强度。

表2 各尺度对应的频段范围

图8 Φ 47节流孔板在26kg/s下压力脉动的小波16层尺度动态压力曲线

图9是Φ47mm节流孔板分别在26kg/s、29kg/s、49kg/s流量下入口压力脉动小波分解各尺度的标准偏差。图10是Φ50mm节流孔板分别在26kg/s、45kg/s、62kg/s、88kg/s流量下入口压力脉动压力脉动小波分解各尺度的标准偏差。图9表明，Φ47mm节流孔板压力脉动主频主要集中在高频段d1（1250～2500Hz），在空化状态（49kg/s）下d14频段（0.15～0.31Hz）波动强度与非空化状态相比明显增强。图10表明，Φ50mm节流孔板压力脉动主频集中在高频段d1（1250 ～2500Hz），当流量为62kg/s时，d14频段（0.15～0.31Hz）波动强度显著增强，当流量增加至88kg/s时，d15频段（0.076～0.15Hz）波动强度显著增强。节流孔板在发生空化时产生大量气泡，节流孔板下游呈现气液两相流状态，气泡运动呈现出低频髙幅值的运动状态，随着流量增大，气泡数量和气相体积分率均增大，低频脉动频率继续降低，幅值继续增大。用小波分析的方法可从频域和时域角度对节流孔板空化及气泡运动进行状态识别和空化诊断。

图9 Φ 47节流孔板不同流量下的入口压力脉动小波分析各频段Sd

图10 Φ 50mm节流孔板不同流量下的入口压力脉动小波分析各频段Sd

3.3 节流孔板空化特性的流场仿真

针对Φ50mm节流孔板在汽蚀状态下的空化流场进行仿真计算，设置速度入口为10m/s（约88kg/s流量），出口压力为0，采用VOF模型，考察空化区气液两相流场特性。图11是Φ50mm节流孔板在10m/s流速下的空化区流场两相云图及流线图。图12是孔板下游沿径向压力曲线。图11表明节流孔下游靠近管道壁面处形成漩涡脱落，空化气泡产生区域与漩涡位置基本一致。图12表明孔板下游沿程100mm位置从管道中心沿径向至管壁，压力逐渐降低，压力低至水的饱和蒸气压3540Pa（绝压）后，压力不再降低，此区域即为漩涡区。压力较高的流体以很高的流速从节流孔喷出，在射流的紊动扩散作用下，对漩涡区压力较低的流体产生卷吸作用，发生动量交换，同时漩涡区没有足够的流体补充进来，呈现出负压状态，形成真空引射作用。当流速足够高时，漩涡区在真空引射下的作用下压力低于当地饱和蒸气压，空化产生气泡，气泡产生和运动周期约为0.2Hz，导致低频压力脉动的产生，符合d14频段（0.15～0.31Hz）特征。

图11 Φ 50节流孔板10m/s流速下空化区流场两相云图及流线图

图12 孔板下游沿程100mm位置沿径向压力曲线

4 结束语

a.节流孔板发生空化时，产生的气泡运动呈现低频髙幅值的压力脉动特性，节流孔板入口压力脉动强度显著高于非空化状态，利用小波分析可识别出节流孔板入口压力脉动空化状态下的低频髙幅值脉动特性。

b.节流孔板形成空化的机理是由于节流孔后在真空引射的作用下，在漩涡区形成低压区，液相空化产生气泡。

c.可通过提取压力脉动信号特征对阀门、孔板等节流装置进行空化状态识别和诊断，为阀门、孔板等节流装置的性能优化提供理论依据。