套筒阀消能与气蚀研究及结构改进

摘要" ：对套筒阀的消能率进行研究，建立三维模型并利用Fluent仿真软件对其进行内部流场的数值模拟，分析了传统套筒阀不同开度下的流场分布及消能效果。通过结构改进，提出一种新型的旋流式套筒阀，研究旋流式套筒阀套筒窗口切向角的变化对阀消能效果的影响，对比分析了传统套筒阀和旋流式套筒阀在各开度下的消能效果及气蚀特性。结果表明：传统套筒阀消能效果低于旋流式套筒阀，且在管壁及套筒处易发生气蚀现象；增大旋流式套筒的切向角能够提高其消能效果，且管壁及套筒处不易发生气蚀现象。综合消能率及气蚀分析，槽口切向角为30°时旋流式套筒阀消能降压效果较好，阀内含气率较低，能够防止气蚀对阀内零件及管道壁面的破坏。

关键词 ：旋流式套筒阀;切向角;数值模拟;消能率;气蚀

中图分类号：TH134"" 文献标志码：A"" 文章编号：1004-0366（2024）05-0089-07

通常管道内部的水流蕴含极大的能量，这就要求管道有较好的稳定性，如果在管道内部就采取一定程度的消能措施，将有利于管道的输水安全。消能阀是一种用于中高水头、大流量下的消能控流阀门，主要作用于管路和河道的流量调节和水头消减，保证下游不断流，防止剩余水头冲刷河床，被广泛应用于水电工程中［1］。消能阀通过内部结构促使水流产生撞击、旋涡、摩擦、扩散等现象，以此将急流变成缓流，转化消除过大的出流能量，从而实现消能的目的［2］。

随着国内外学者对消能阀研究的不断深入，魏文礼等［3］研究出了嵌套式锥形结构的消能阀，以提高阀的消能率;DALLIN等［4］对消能阀结构进行改进，增加了金属罩部件，研究了其消能率的变化;秦武等［5］对锥形阀进行了数值模拟与实验研究，对比分析了不同开度下的内部流场及过流流量变化，并进行了一定的结构改进;王永鹏［6］通过对不同开度下的不同阀芯结构进行模拟计算，对比了减压消能阀不同阀芯结构时阀内的流场变化特征，并进行了阀芯的改进和优化分析;喻哲钦等［7］对3种不同结构的消能阀内部流场进行了模拟分析，探究阀内部各消能部件对其消能效果的影响;KELLY［8］通过研究分析表明消能阀内部结构的设计与尺寸对其整体消能效果有很大的影响;闵为等［9］利用流固耦合的模拟方法对消能阀进行了模拟分析，得出合理选取半锥角度可以改善阀的稳定性，并优化了出流条件;殷德奎［10］以使用螺旋扇叶型导流器的调节阀为研究对象，利用Fluent对调节阀不同开度稳态流场进行数值模拟，分析流场压力、速度、迹线及气体体积分数的变化;李燕辉等［11］对固定锥形阀不同开度下的稳态流场及瞬态流场进行数值模拟，探究阀内流场分布，对比分析了流量系数、消能率等阀门特性参数的变化。

由以上研究看出，目前学者对消能阀的研究大多是针对锥形消能阀，本文对套筒阀的消能效果进行研究。传统套筒阀三维模型如图1所示，阀体内装有鼠笼套筒，传动机构带动套筒在行程范围内做水平往复运动，从而通过改变阀体出口的过流面积调节流量。本文通过改变套筒结构，利用Fluent数值模拟其内部流场特性，在防止阀内零件产生气蚀的基础上增大其消能率，达到消能降压的效果。

1 数值模拟计算控制方程

1.1 控制方程

旋流式套筒阀中的流体是液体，流过阀门时满足质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律，其控制方程如下［12］：

质量守恒方程：

ρt+ρxi（ρui）=0， （1）

能量守恒方程：

（ρT）t+div（ρuT）=divkCpgradT+Sr，（2）

动量守恒方程：

ρt（ρui）+ρxj（ρuiuj）=-pxi+τijxi+ρgi+Fi，（3）

τij=μuixj+ujxi-23μuixiσij， （4）

其中：t为单位时间;k为传热系数;T为流体温度;ui为流体沿i方向上的速度分量;Cp为比热容;Sr为黏性耗散项;P为微元体上静压力;τij为应力张量;gi为i方向上的重力加速度;Fi为i方向上的外部体积力。

1.2 湍流模型

研究中旋流式套筒阀内部流体流动为湍流流动，选用计算精度较好的标准k-ε湍流模型进行数值模拟。对于不可压缩流体，该模型湍流动能k和湍流耗散率ε的输运方程为

（ρk）t+（ρkui）xi=xjμ+μiσkkxj+Gk-ρε，（5）

（ρε）t+（ρεui）xi=xjμ+μiσεεxj+C1εεkGk-ρC2εε2k，（6）

其中：ρ为流体密度；μ为流体黏度；Gk是由平均速度梯度引起的湍动能产生项；σk=1.0和σε=1.3分别为k和ε的湍流普朗特常数;C1ε=1.44和C2ε=1.92为对应的经验常数。

1.3 空化模型

水流流过鼠笼套筒上不同夹角的槽孔时流速增大、压力降低，有可能产生空化现象并产生气蚀。Schnerr-Sauer空化模型可以较好地体现湍流脉动压力对气化压力的影响［13］，其控制方程如下：

当pv≥p时：

Re=ρvρ1ραv（1-αv）3RB2（pv-p）3ρ （7）

当pvlt;p时：

Rc=ρvρ1ραv（1-αv）3RB2（p-pv）3ρ （8）

其中：p为某温度下的绝对压力;pv为饱和蒸气压;ρ为混合相密度;ρ1为液体密度;ρv为气体密度;αv为蒸气相体积分数;Re为蒸气相生成率;Rc为凝结相生成率;RB为空泡半径。

2 网格划分及工况设置

为保证模拟计算过程中流道两端的流动平稳并均匀，依据文献［14］中的要求，对阀门进出口两端分别延伸5倍和10倍流道直径长度的管道，并抽取其内部流道模型，划分网格时对鼠笼套筒区域网格进行局部加密处理。阀内部流道网格划分见图2。

以常温水为介质，入口速度为2.6 m/s、出口压力为0.06 MPa，利用Fluent仿真软件，采用标准k-ε湍流模型，求解器设置为基于压力及稳态，数值模拟旋流式套筒阀的流场特性。对阀门进行空化模拟时，打开混合相（Mixture）模型，设置液态水（water-liquid）为主要相，水蒸气（water-vapor）为次要相。

3 仿真结果分析

3.1 传统结构消能率与流场分析

消能率的大小反映出流体通过阀门的能量耗散能力，其值为阀前总能量与阀后总能量的差值与初始能量的比值。消能率η的计算式为

η=E1-E2E1×100%=p1ρg+v212g-p2ρg+v222gp1ρg+v212g×100%，（9）

其中：E1为阀前流体总能量（mH2O）;E2为阀后流体总能量（mH2O）;p1为阀前静压（Pa）;p2为阀后静压（Pa）;v1为进口速度（m/s）;v2为出口速度（m/s）。

通过数值模拟计算，将计算结果带入式（9）中计算传统型套筒阀的消能率η。不同开度下传统套筒阀消能率变化曲线如图3所示。

由图3看出，随着阀门开度增大，消能率逐渐减小。在小开度时，阀门出口面积较小，槽口出口处具有较大的压力梯度和速度梯度，对能量产生强烈的耗散，消能率较高，在20％开度下，阀门消能率为97％;在100％开度时，阀门消能率降低到了64.4％。

传统型套筒阀不同开度下压力分布云图如图4所示。从图4看出，进口段压力保持不变，在局部放大图中槽口出口处出现压力突变，压力迅速下降。槽口出口处流道中心压力较高，管壁面压力较低。小开度时，槽口出口处节流程度剧烈，30％开度下进出口压差为1 MPa;大开度时，进出口压差减小，90％开度下进出口压差为0.1 MPa。

图4（b）中A点在流道中心线上，以A点为原点，提取阀门出口流道流动方向及半径方向上的压力分布，如图5所示。从图5（a）中可以看出，沿流动方向压力逐渐下降，到A点后0.5 m处压力降低到25 640 Pa，在0.5 m后压力开始缓慢增加。从图5（b）中可以看出，沿着流道半径方向流道中心A点压力最高，随着半径增大压力呈减小趋势。水在常温下的饱和蒸气压为3 250 Pa，距A点径向距离为0.7 m处压力为3 100 Pa，压力开始低于饱和蒸气压，一直延伸到管道壁面处，该区域会液体气化发生气蚀，对管道壁面产生损害。

相对开度为60%时传统套筒阀阀内气相体积云图如图6所示。从图6可以看出，阀内气相主要分布在套筒槽口及管道内壁面处，这些位置将发生空化，会对其造成气蚀破坏，且阀内含气率为0.092％。

3.2 新型结构消能率分析

为了增大阀门消能率、防止阀内壁面产生气蚀，设计了一种鼠笼套筒上的槽孔与外表面有一定夹角α的旋流式套筒阀，改进后结构如图7所示，其中α为槽口切向角，水流沿着夹角α流出槽孔后与流道壁面形成一定的切向速度，经过槽孔形成旋流后和流道发生撞击、摩擦、扩散等，降低了过大的出流能量，最后从管道出口喷出达到消能降压的目的。

采用相同的边界条件，将切向角α分别设定为15°、30°、45°，分析不同切向角时阀门不同开度消能效果及流场特性。通过数值模拟，带入式（9）计算旋流式套筒阀的消能率η，相对开度为60％时不同槽口切向角旋流式套筒阀的消能率如表1所列。

由表1看出，随着切向角α的增大，旋流式套筒阀消能率逐渐增大，这是由于水流通过鼠笼套筒不同夹角的槽孔时压差（p1-p2）增大，即压力水头差逐渐增大，消能率逐渐增大。阀前后流速差（v1-v2）基本不变，速度水头变化不明显，因此旋流式套筒阀主要是改变进出口压力水头差使消能率提高。

套筒阀改结构前后消能率变化曲线如图8所示。从图8中可以看出，不同结构阀门在20％开度

下的消能率比较接近，均大于97％，消能效果较好;随着开度增大，不同结构套筒阀消能率差值逐渐增大，旋流式套筒阀消能率降低速度较传统型套筒阀缓慢。在阀门开度大于40％后，鼠笼套筒槽口切向角的增大对阀的消能效果明显提高，在同一开度下，切向角越大消能率越高，且随着切向角增大，消能率曲线斜率减小。其中100％开度下，α=15°旋流式套筒阀消能率为69.9％，α=30°旋流式套筒阀消能率为77.4％，α=45°旋流式套筒阀消能率为87.0％。

由此可见，增加切向角能够提高阀的消能效果，对旋流式套筒阀增大节流槽的切向角是提高消能率的一种途径。

3.3 新型结构流场分析

对旋流式套筒阀不同切向角和不同开度的流场特性进行分析。在Fluent中完成模拟计算后在CFD-Post后处理模块中得到各开度下阀的流场分布。对旋流式套筒阀α=30°时不同开度下的流场进行分析。

（1） 流线分布分析

旋流式套筒阀套筒槽口切向角为30°时不同开度下阀的流线图如图9所示。从图9中看出，当流体经过鼠笼套筒时，由于槽口切向角的导流，流体以30°的角度旋切从槽口流出进入导流腔流道，流体切向速度增大，并沿导流腔流道管壁呈螺旋状向下游流动，形成螺旋状旋流。流道中心速度较小，沿着流道半径速度增大。开度为60％时流道中心流速为1.7 m/s，沿径向方向流体逐渐加速到6.3 m/s，在管道壁面处由于形成边界层流速迅速降至0，从而增加能量的损耗。流体在导流腔后部形成不同程度的旋流，对导流腔产生了冲击。随着开度增大，导流腔及下游管路流体螺旋状流动状态不变，但螺旋运动程度及旋流强度减弱，流体流动逐渐平稳。

（2） 压力分布分析

槽口切向角为30°时不同开度下旋流式套筒阀压力分布云图如图10所示。从图10看出，30％开度下进出口压差为1.8 MPa，消能降压效果明显;90％开度下进出口压差为0.3 MPa，消能降压减弱。在流道中心处压力较低，靠近管壁面压力高。

以图10（b）中A点为原点，提取旋流式套筒阀出口流道流动方向及半径方向上的压力分布，如图11所示。

从图11（a）中可以看出，流体通过槽口后沿着流道方向压力急剧下降，降压效果较传统型套筒阀明显，在A点前2.5 m处压力开始小于3 250 Pa，一直延伸到A点后4 m处，因此该低压区域将低于饱和蒸气压而容易发生气蚀。从图11（b）中可以看出，旋流式套筒阀沿着流道半径方向A点压力最低，向外压力逐渐增大，到距离A点径向0.3 m处压力为1 220 Pa，该区域压力低于常温水的饱和蒸气压，会产生气体;最大压力为管道壁面处，为0.1 MPa，大于水在常温时的饱和蒸气压，不会产生气体，因此旋流式套筒阀能够防止管道壁面产生气蚀现象。

（3） 气蚀分析

相对开度为80%时不同套筒槽口切向角的旋流式套筒阀内气相体积云图如图12所示。由图12（a）～（c）中圆圈标记处可见，与传统型套筒阀气相区域相比，槽口切向角增大到15°时，阀内气相区从流道壁面转移到流道中心，阀内含气率为0.021％;随着槽口切向角从15°增大到45°，阀内气相区域在流道中心前后转移，鼠笼套筒及管壁面处不产生气体，槽口切向角30°阀内含气率为0.019％，槽口切向角45°产生的气相体积增大，阀内含气率为0.028％。

因此，旋流式套筒阀槽口切向角为30°、45°时气相区域均分布在套筒后流道中心位置，鼠笼套筒及管道内壁面未产生气体，不易发生气蚀，且30°槽口切向角阀内含气率较低。综合消能率分析，30°切向角旋流式套筒阀消能率较高，且阀内零件及流道壁面无气蚀发生，为最优切向角。

4 结论

基于Fluent数值仿真软件，分析了传统套筒阀不同开度下的流场分布及消能效果，对套筒阀进行结构改进，提出一种旋流式套筒阀，并对比分析了改进前后套筒阀的消能效果及气蚀，得出以下结论：

（1） 传统套筒阀消能效果低于旋流式套筒阀，且在套筒及管道壁面处易发生气蚀现象。

（2） 旋流式套筒阀流体沿导流腔流道管壁呈螺旋状向下游流动，形成螺旋状旋流。流道壁面压力高，不易产生气蚀。

（3） 在旋流式套筒设置切向角能够提高其消能效果，切向角越大消能效果越好。综合消能率及气蚀分析，槽口切向角为30°时旋流式套筒阀消能降压效果较好，阀内含气率最低，能够防止气蚀对阀内零件及管道壁面的破坏。

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Research on energy dissipation and cavitation of

sleeve valves and structural improvement

ZHANG Xiheng，WU Jiali，XUE Ruiyuan，WEI Junhuan，ZHAO Xinyu

（College of Petrochemical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Abstract ：The purpose of this paper is to conduct research on the energy dissipation rate of sleeve valves，and establish a three-dimensional model to numerically simulate the internal flow field using.Fluent simulation software.It analyzed the flow field distribution and energy dissipation effect of traditional sleeve valves under different opening angles.Through structural improvement，a new type of swirling sleeve valve was proposed to study the impact of changes in the tangential angle of the sleeve window of the swirling sleeve valve on the energy dissipation effect of the valve.A comparative analysis was conducted on the energy dissipation effect and cavitation characteristics of traditional sleeve valves and swirling sleeve valves at various openings.The results show that the energy dissipation effect of traditional sleeve valves is lower than that of rotary sleeve valves，and cavitation phenomenon is prone to occur at the pipe wall and sleeve.Increasing the tangential angle of the swirl sleeve can improve its energy dissipation effect，and cavitation is less likely to occur at the pipe wall and sleeve.Based on comprehensive energy dissipation rate and cavitation analysis，when the tangential angle of the groove is 30°，the swirling sleeve valve has a good energy dissipation and pressure reduction effect，and the valve has a low air content，which can prevent cavitation from damaging the parts inside the valve and the pipeline wall.

Key words ：Swirl type sleeve valve;Tangential angle;Numerical simulation;Energy dissipation rate;Cavitation

（本文责编：葛 文）