多相流閥門及相連管道空化-空蝕特性及預(yù)測(cè)方法研究.pdf

1、化工工藝過(guò)程中高溫、高壓工況和復(fù)雜的流動(dòng)介質(zhì)極易引起節(jié)流減壓過(guò)程相關(guān)設(shè)備的空蝕失效問(wèn)題，最終造成設(shè)備的穿孔、泄漏事故。其中減壓閥門及其相連管道為典型的失效頻發(fā)設(shè)備，對(duì)于空蝕破壞，單純的材料升級(jí)難以保證裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。因此結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究閥門類型結(jié)構(gòu)中空化空蝕特性，探索空化空蝕的預(yù)測(cè)方法，對(duì)于閥門及相連管道結(jié)構(gòu)類型的空蝕破壞的提前預(yù)警乃至徹底消除空化流動(dòng)中壁面的空蝕損傷具有重要的意義。
　　本文以實(shí)際減壓閥為原型制作

2、了閥門模型結(jié)構(gòu)組件和帶有可視化觀測(cè)窗的閥門試驗(yàn)段，通過(guò)自主設(shè)計(jì)搭建的空化水洞實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)不同條件下空化空蝕特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了空化空蝕現(xiàn)象隨空化數(shù)和時(shí)間的演變規(guī)律。然后通過(guò)試驗(yàn)段的數(shù)值模擬研究，結(jié)合空化實(shí)驗(yàn)規(guī)律對(duì)計(jì)算模型中空化模型系數(shù)進(jìn)行了修正，較為準(zhǔn)確的對(duì)空化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值重現(xiàn)。最后基于優(yōu)化的空化模型，提出以空化模擬中氣相凝結(jié)速率作為表征參數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中空蝕區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)。并通過(guò)實(shí)際空蝕失效案例的應(yīng)用分析，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)方法的可靠性。

3、本文的主要工作和結(jié)論如下:
　　(1)通過(guò)圖像后處理方法得到了可視化空化實(shí)驗(yàn)中空化區(qū)域特征線及其穿過(guò)空化區(qū)域的特征長(zhǎng)度，特征長(zhǎng)度能夠較好的反映空化現(xiàn)象的變化特性。隨著空化數(shù)的減小，在閥門模型試驗(yàn)段中觀察到3種典型的空化現(xiàn)象:(a)空化長(zhǎng)度發(fā)生顯著變化的周期性附著空化，但不存在空化脫落現(xiàn)象;(b)空化長(zhǎng)度在較小范圍內(nèi)變化的附著型空化，周期性不明顯;(c)空化長(zhǎng)度顯著的周期性變化，同時(shí)伴隨著空化云脫落、潰滅現(xiàn)象的云空化。
　　(

4、2)空化實(shí)驗(yàn)中空化現(xiàn)象不具有對(duì)稱性，隨著空化數(shù)減小，上閥座、下閥座和閥芯頭部的初生空化會(huì)依次在σ=1.72、1.55和1.33時(shí)出現(xiàn)，云空化的脫落僅發(fā)生在上半?yún)^(qū)域?？栈瘮?shù)減小時(shí)，空化長(zhǎng)度會(huì)逐漸增大，且增長(zhǎng)速率也逐漸增大。
　　(3)空蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果中鋁膜表面蝕點(diǎn)區(qū)域的長(zhǎng)度隨時(shí)間基本保持不變;蝕點(diǎn)面積隨著時(shí)間的增加逐漸增大，在15min至30min間有激增段，最終在60min時(shí)會(huì)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)中未發(fā)生空化脫落的下閥座空蝕蝕點(diǎn)面積更

5、大，受到更嚴(yán)重的空蝕破壞。
　　(4)對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行二維結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，對(duì)比分析Zwart-Gerber-Belamri空化模型中不同模型系數(shù)的仿真結(jié)果，得出減小模型中蒸發(fā)系數(shù)Fv或增大凝結(jié)系數(shù)Fc都會(huì)顯著的降低上閥座空化的長(zhǎng)度和強(qiáng)度;增大Fv或減小Fc則會(huì)顯著提高下閥座空化的長(zhǎng)度和強(qiáng)度的規(guī)律，其他改變對(duì)于相應(yīng)區(qū)域的空化現(xiàn)象影響較小。最后得到F=200、E=0.1這一組改進(jìn)的模型系數(shù)，對(duì)于穩(wěn)定的附著空化和非定常的云空化脫落過(guò)程都取得

6、較好的模擬效果。
　　(5)基于改進(jìn)的空化預(yù)測(cè)模型，以數(shù)值計(jì)算結(jié)果中氣相凝結(jié)速率作為表征參數(shù)對(duì)空蝕區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到的凝結(jié)區(qū)域與實(shí)驗(yàn)中空蝕區(qū)域吻合性較好。預(yù)測(cè)結(jié)果中空蝕的起始位置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，空蝕區(qū)域長(zhǎng)度的預(yù)測(cè)誤差在9％左右。氣象凝結(jié)區(qū)域的位置和范圍與空化現(xiàn)象的形態(tài)特性緊密相關(guān)，準(zhǔn)確地空化現(xiàn)象數(shù)值模擬結(jié)果是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)空蝕的前提。本文得到的空化空蝕預(yù)測(cè)方法應(yīng)用于實(shí)際空蝕失效分析后也取得較好效果。
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn):