高压降控制阀是管路中控制流体介质流量与压力等工艺参数的关键元件，被广泛应用于电力、石化、能源等工业领域中．控制阀作为自动控制系统中的终端调节装置，其工作性能直接关系到控制系统的正常工作，对于管路系统安全高效运行发挥着至关重要的作用[1-2]．目前国内对调节阀严重缺乏基础理论研究，高端产品研发仍以测绘仿制居多，实践中阀门及阀控管系严重空化、高能耗、剧烈振动噪声等现象仍普遍存在[3-5]．国内外学者针对控制阀内部空化流动特性及影响规律等问题进行了大量研究．如Jin等[6-7]采用数值模拟方法，比较了不同阀芯形状对套筒调节阀内流动与空化特性的影响，并分析了阀体主要几何参数对球型截止阀内部空化的影响，预测了空化指数和总蒸汽体积；Lu等[8]通过实验和数值分析，研究了U型槽滑阀内部大型空腔涡流流动特性及其失稳特性；Yuan等[9]研究了提升阀内部空化发展过程与相应的阻塞流特性，发现空化初生与流动状态的转变密切相关．此外，在阀门空化抑制与减轻汽蚀方面也有诸多工作可供参考．Wkwon等[10]设计了迷宫式多级降压调节阀，证明迷宫式阀芯节流组件可以有效控制流速及压力，抑制空化；李树勋等[11]对严苛工况下多级套筒式控制阀内部空化流动进行模拟研究，发现增加套筒层数能够有效抑制空化强度，降低空化范围；侯聪伟等[12]研究了不同笼罩结构参数对椭球形阀芯空化流动的影响，提高了多孔笼罩抑制空化效果．综上所述，该领域学者已进行了很多有价值的工作，目前仍有必要开展的主要工作在于：首先，以往阀内空化数值研究中多采用RANS方法，导致计算精度不高与流动细节缺失，应基于LES方法建立阀内空化流动数值模型进行相关研究[2]；其次，以往研究多关注压力与速度等流场参数分布，对流动能量传递与损失特性研究较少，应针对流动能量损失与流通能力影响规律等问题开展研究．本课题采用实验研究与基于LES模型的空化流动数值方法，捕捉阀内空化流动中空腔初生、发展及脱落等时空演化细节特征，分析不同空腔演化阶段的流动能量传递与损失特性，以及不同工况条件对阀门流通能力的影响规律．1 数值计算模型1.1　控制阀几何模型通过调研典型直通截止型调节阀(图1(a))产品，采用Solidworks三维建模软件建立全开条件下的调节阀简化几何模型，如图1(b)所示．整个流体域在沿流动方向上被分为上游区US、节流区TS和下游区DS三个区域，其中节流区被分为节流入口区I、喉管区II和渐扩区III．上下游直径40 mm，长度分别为25 mm与90 mm；喉管直径10 mm，长度7.5 mm；渐扩段扩张角20°．此外，进出口管段分别延长2倍与6倍管路直径以使流动充分发展．10.13245/j.hust.240155.F001图1控制阀三维几何模型1.2　湍流及空化模型数值计算采用Mixture混合多相流模型，常温水和水蒸气分别设置为主相与副相．连续性方程与动量方程如下[13]∂ρm∂t+∂(ρmuj)∂xj=0；(1)∂(ρmui)∂t+∂(ρmuiuj)∂xj=-∂p∂xi+∂∂xj⋅μm∂ui∂xj+∂uj∂xi-∂∂xi23μm∇⋅u⃗+ρmfi, (2)式中：ui和uj为速度；xi和xj为沿流向和径向坐标；p为压力；t为时间；ρm与μm为混合相密度与黏度；fi为质量力．为捕捉非定常空腔演化细节，瞬态数值计算采用LES湍流模型．通过滤波函数将流域中大小尺度涡分离，对大尺度湍流涡进行直接模拟，对亚网格尺度涡进行模化．滤波后的连续性与动量方程为∂ρm∂t+∂(ρmu¯j)∂xj=0；(3)∂(ρmu¯i)∂t+∂(ρmu¯iu¯j)∂xj=-∂p¯∂xi+∂∂xjμm∂u¯i∂xj-∂τij∂xi, (4)式中：上划线表示过滤量；τij为亚格子应力，用以考虑小尺度涡对大尺度涡的影响，τij=ρmuiuj¯-ρmui¯uj¯，(5)τij-τkkδij/3=-2μtS¯ij，(6)S¯ij=12∂u¯i∂xj+∂u¯j∂xi，(7)其中，τkk为τij的各项同性项，δij为Kronecker算符，μt为亚格子尺度湍流黏度，S¯ij为应变张量速率．采用壁面自适应局部涡黏性(WALE)模型模拟亚格子应力和涡黏性，可对壁面有界流动返回正确的壁面渐近行为．空化模型采用阀门空化模拟研究中常用的Zwart-Gerber-Belamri模型，兼具良好的求解精度与数值稳定性[14]．1.3　网格及边界条件图2为利用ICEM软件生成的节流区计算网格局部放大视图．为满足LES计算要求并精确捕捉空腔演化细节，对节流区域进行局部加密，并生成近壁面区边界层网格．计算域壁面y+值在1~10范围内．网格数量会影响流域中速度分布、流量及汽液相分布等参数[15-16]．10.13245/j.hust.240155.F002图2节流区计算网格局部放大图本研究选择时均体积流量与节流区喉管段末端截面上(图2中虚线所示)平均汽相体积分数作为网格无关性检验参数．图3为网格无关性检验结果，可见当网格数量(n)超过122万，流量(Q)变化可以忽略．当n超过156万，体积分数(α)变化可忽略，因此确定网格数量为156万．时间步长无关性测试采用相同方法，确定时间步长为1×10-6 s以平衡计算精度和效率．10.13245/j.hust.240155.F003图3网格无关性检验控制阀内流动是典型的压力驱动流，进出口压差是影响阀内流动特性的关键因素．参考电站用高压降调节阀实际工况条件，采用压力进出口与无滑移壁面边界条件．入口压力设置为1 MPa，出口压力设定在0.20~0.80 MPa范围内．定义压力比系数(γp)为出口压力比入口压力，γp=p2/p1，γp范围为0.20~0.80．2 流通能力实验研究为验证数值计算模型可靠性与分析控制阀流通能力，对不同工况条件下节流模型流通能力开展实验研究．如图4所示为设计搭建的控制阀流通能力测试装置，主要包括水箱、多级泵、涡轮流量计、上下游节流阀、压力表、实验样机等装置．测量仪器具体参数：涡轮流量计范围0.06~0.60 m3/h，精度0.5%；压力表范围0~1 MPa，精度0.5%．10.13245/j.hust.240155.F004图4控制阀流通能力测试装置采用LES模型与Realizable k-ε模型计算节流模型时均流量，并与实验数据进行对比，结果如图5所示．图5(a)为低压差条件下流量数据对比，可见：数值计算结果与实验数据变化趋势相近．LES模型最大误差小于5.0%，k-ε模型最大误差小于8.0%．在流量随压差逐渐增大过程中呈现的阻塞流特性方面，LES模型表现优于k-ε模型．受条件所限，实验工况范围较小．为进一步研究高压差条件下流通能力，考虑节流模型与厚壁孔板相似，采用以往孔板空化研究实验流量数据作为验证依据[16]，建立相同孔板模型进行对比．10.13245/j.hust.240155.F005图5数值计算与实验结果对比验证如图5(b)所示，在不同压比条件下，模拟得出的时均流量与实验数据符合良好，LES模型最大误差小于7.0%，k-ε模型最大误差小于8.3%．对比结果证明了基于LES方法建立的流动数值计算模型具有良好的准确性与可靠性．主要误差来源于样机加工精度、测量及读数误差等．相较于LES方法，RANS方法对空化程度有所低估，误差相对较大．由实验与LES数值模型可得流量数据计算阀门流量系数(KV)与流阻系数(ζ)．图6为不同压力比条件下ζ与KV对比．以pr=0.46为临界压力比，不同工况下流动状态分为非空化流动与空化流动．非空化流动条件下，ζ与KV分别维持在300与1.3 m3/h左右．说明在非空化流动条件下，流阻系数与流量系数不随工况条件改变而变化．这是由于控制阀流量系数与流阻系数只与阀门结构相关，而与流动工况条件无关．10.13245/j.hust.240155.F006图6流阻系数与流量系数对比随压差增加，压力比降低，流动条件转变为空化流动，流阻系数明显增加，流量系数降低．说明节流空化现象对控制阀流通能力会产生显著影响，由LES模型计算所得流阻系数与流量系数在不同工况下与实验数据符合程度良好，数据随工况变化规律一致．3 数值研究结果与分析3.1　空腔结构演化过程分析为分析不同工况条件下调节阀内部空化流动细节特征及规律，采用LES数值模型对控制阀节流模型开展非定常空化流动数值研究．定义一个完整空腔演化周期是指从空化初生时刻至相邻下一次空化初生时刻．图7为γp=0.20，压差0.80 MPa条件下节流模型内空腔结构演化过程．以汽相体积分数为0.2的等值面表示不同时刻空腔结构主要特征．在一个完整的空腔演化过程中，空腔结构主要经历了从初生、发展、脱落至溃灭的不同阶段．图7(a)为空腔初生阶段，规定此时为本周期初始t0时刻．强节流条件下，在阀座喉管近壁面区域高速低压位置可观察到环状分布的多个微小空腔结构．图7(b)为空腔发展阶段，对应时刻T=t0+1.35 ms．低压区不断产生的大量小气泡快速发展聚并为一个较完整的大型空腔结构，几乎占据了喉管段与渐扩段大部分区域，并随射流向下游方向运动．图7(c)为初始脱落阶段，对应时刻T=t0+1.85 ms．当完全发展的空腔运动至渐扩段出口区域，流道突然扩大，空腔破裂为两部分，部分仍保持在渐扩段内，主体部分开始脱落演化形成空心环状结构继续向下游行进．图7(d)为完全脱落阶段，对应时刻T=t0+2.30 ms．脱落至下游区空腔呈空心环状结构，在高速射流作用下以类似于烟圈运动的方式翻滚行进．随后环状空腔结构特征在保持短暂时间后坍缩、破裂为多个小型空腔，逐渐溃灭消失．10.13245/j.hust.240155.F007图7节流模型内空腔结构演化过程同时，可以发现：空腔结构脱落过程中，相邻下一周期的空腔初生阶段出现于此阶段附近．全开条件下节流区模型内部节流空化流动过程中，不同周期空腔结构均以初生、发展、脱落至溃灭过程演化．节流区阀座喉管与渐扩段位置持续存在着剧烈空化相变，绝大部分空腔结构均产生于空腔初生与发展阶段的阀座喉管与渐扩段区域．阀座节流结构特征，如喉管流通面积、渐扩段长度及角度等结构参数等是影响空腔结构演化特征与流动状态的关键因素，尤其是渐扩段结构对空腔脱落行为具有直接影响作用．此外，还可以发现：控制阀节流空化流动中空腔结构演化过程具有明显的准周期特性与三维非对称特性，这与强节流引起的非定常涡旋演化结构相关．相对于RANS方法，LES空化数值计算模型能够准确捕捉完整的空腔演化过程，尤其在重现空腔产生、发展及脱落行为等细节特征方面具有明显优势．3.2　流动机械能传递与损失特性分析为研究控制阀内部空化流动机械能传递与损失特性，在节流区流体域中设置如图8所示的一系列监测面，监测不同时刻沿流动方向上机械能分布．节流区每隔1 mm设置一个监测面，上游和下游区相邻检测面间距逐渐增加．10.13245/j.hust.240155.F008图8节流区监测面设置各监测面上流体时均总机械能计算如下Ei-t=1ΔT∫piρigdt+1ΔT∫αUi22gdt，(11)式中：Ei-t为用水头表示的总机械能；g为重力加速度；pi，ρi和Ui为监测面i平均静压、平均密度和平均速度；α为动能修正系数；ΔT为时长．提出沿流向机械能变化梯度∇Ex与相邻监测面机械能比值Er两个无量纲参数，分别用于评估各监测面机械能沿流向变化速率与幅度．计算公式为∇Ex=Ei-1-EiXi-Xi-1；(12)Er=Ei/Ei-1，(13)式中X为沿流动方向坐标．∇Ex能量梯度越高代表沿流动方向上能量损失的速率越急剧，Er越低代表沿流动方向能量损失幅度越高．图9为γp=0.20时不同时刻沿流动方向流体机械能传递与损失特性．图9(a)为不同空腔演化时刻机械能瞬时值，可见：不同时刻机械能损失均主要产生于节流段区域，总损失可分为节流入口损失、喉管损失及渐扩段损失，共计83.3 m．其中节流入口损失约16.3 m，占据总损失19.8%；喉管段与渐扩段区域总损失约56.4 m，占据总损失67.7%；其余为下游区节流出口损失．10.13245/j.hust.240155.F009图9不同时刻沿流动方向流体机械能传递与损失上下游区域直管段无节流结构，水头变化相对较低，局部损失可以忽略．不同时刻下各监测面机械能沿流向变化的主要区别出现在喉管与渐扩段区域．在喉管末端与渐扩段各监测面上，处于空腔充分发展与空腔初始脱落阶段时刻机械能水平明显更低，空腔完全脱落阶段机械能数值最高，空腔初生阶段机械能水平介于中间．图9(b)与(c)分别为对应时刻机械能梯度值与机械能比值．可见：喉管入口与渐扩段出口附近区域机械能损失速率与幅度较高，对应强节流结构导致的主要局部能量损失位置．在空腔发展与初始脱落阶段，渐扩段机械能损失速率与幅度相对较高．阀座强节流效应导致的高额局部能量损失是总机械能损失的主导因素，节流损失从阀座入口前区域延伸至阀座出口后．结合空腔演化特征可发现在空腔充分发展与初始脱落阶段，主体空腔结构正位于喉管末端与渐扩段近壁面区域，导致该位置监测面机械能水平快速降低．在准周期性空腔演化过程中，喉管及渐扩段区域空化液汽相变程度越剧烈，机械能水平越低，能量损失速率与幅度相对其他时刻越高，说明空化液汽相变程度与流体机械能损失相关．即在空腔产生与发展越剧烈的时间段，沿流向流体机械能损失程度越明显．在空腔完全脱落阶段，高速射流团位于渐扩段造成局部动能增加．3.3　流通能力与流阻分析上述实验研究结果表明空化流动条件下控制阀流通能力会出现显著变化．为进一步分析不同流动条件及空化现象对阀门流通能力与流阻的影响规律，对不同工况条件下节流模型流通能力与流阻进行研究．图10为不同压力比系数条件下控制阀KV及ζ变化曲线．由图10可见：随γp从0.80降低至0.20，压差逐渐升高，流动状态由非空化流动逐渐转变为空化流动．在非空化流动条件下，KV和ζ分别保持在3.12 m3/h与421.6左右．当流动条件转变为空化流动，随γp由0.40降至0.20，KV明显下降至2.67 m3/h，ζ则急剧升高至575.3．这是由于在非空化流动条件下，KV与ζ只与结构相关，与阀门流动条件无关．当流动状态转换为严重空化流动时，伴随出现的阻塞流现象会导致流量不再随压差增加而提升，造成节流过程流动阻力增加，流通能力下降，即空化现象会导致控制阀流通能力明显降低．10.13245/j.hust.240155.F010图10不同压力比条件下控制阀KV及ζ变化曲线在此基础上，对不同工况条件下节流过程产生的流阻系数具体组分进行定量分析，探寻空化现象对流动机械能损失的影响机制．图11为不同压力比条件下节流模型流阻系数具体组成部分．根据模型流通能力分析，由节流结构产生的流阻ζth与工况条件无关，以灰色柱体高度表示．当γp低于0.45，空化流动条件下总流阻ζ增加，对应增额部分为由空化现象产生的附加流阻ζc，以阴影柱体高度表示．随γp降低，ζc在总流阻ζ中的占比由5.3%逐渐增加至26.7%．即空化程度越严重，节流模型中由空化产生的附加流阻ζc越高，造成总流阻上升与流通能力下降．进一步分析，可发现：非空化流动状态下，控制阀节流过程产生的机械能损失全部来自于节流结构造成的局部能量损失．空化流动条件下，总机械能损失由节流局部能量损失与空化附加能量损失叠加而成．空化程度越严重，产生的附加能量损失越高．空化条件下，阀门阻塞流现象的主要产生原因在于，继续增大压差产生的机械能增量被空化附加能量损失所消耗，因此表现为流量不再随压差增大而增加．10.13245/j.hust.240155.F011图11不同压力比条件下节流模型流阻系数组成部分4 结论采用实验与LES数值研究相结合的方法开展控制阀节流区内空化流动特性研究，捕捉了空腔演化细节特征，分析了流动机械能损失特性及流通能力等规律．主要结论如下．a．控制阀节流空化过程中，节流区阀座喉管与渐扩段位置空化程度较严重．阀座节流结构特征是影响空腔结构演化特征的关键因素，尤其是渐扩段结构对空腔脱落行为具有直接影响作用．b．由于非定常涡旋演化，空腔结构演化呈现准周期特性与三维非对称特性．与RANS方法相比，LES数值模型在精确捕捉非定常空腔结构演化细节特征方面更具优势．c．节流空化现象对阀门流通能力与流动阻力产生显著影响．随上下游压差增大，总流阻中空化附加流阻ζc占比由5.3%逐渐增加至26.7%．即空化程度越严重，控制阀中空化附加流阻ζc越高，造成阀门总流阻上升与流通能力下降．d．随压力比降低，非空化流动转变为空化流动，流阻系数由421.6明显升高至575.3．空化流动条件下，总机械能损失由节流局部能量损失与空化附加能量损失叠加而成．空化程度越严重，产生的附加能量损失越高．