在现代过程装备和工艺自动化控制工业领域中，调节阀是流体介质(气体、液体或携带固体颗粒的气体和液体)输送过程中调节控制的关键部件，也是借助动力装置改变自身开度去控制和调节管道内流体介质的压力、速度、流量、温度和液位等工艺参数的重要控制元件[1-2]．特种多级调节阀多应用于高温、高压、大流量等高参数工况，使用过程中存在阀芯流速过高、振动噪声严重、空化气蚀严重等不良现象．多级降压控制阀使流体在流动过程中逐级缓冲，流体能量不断耗散，流体每经过一级节流结构就会由于节流降压作用使其压力降低一个等级，将原本一次较大的压差分解为多次较小压差，多级降压控制阀确保了降压效果的同时提高了控制阀的使用寿命[3-4]．国内外研究者在调节阀内部流场特性、减压特性及空化特性等方面进行了大量研究，王金海等[5]通过ANSYS CFX对调节阀的降压流动特性进行了仿真，模拟的流量特性曲线与实验值符合，表明压降主要集中在套筒部件上的迷宫流道，第一级流道压降最多，逐级减弱，流量随着开度和压降的增大逐渐增多．Wang等[6-7]通过流场测量、分离涡模拟(detached eddy simulation，DES)和声学模态分析，研究了汽轮机控制阀的非定常流动特性．董学莲等[8]设计了一种新型碟片结构的迷宫调节阀，分析了多个结构参数对碟片内部流体流动特性的影响．Berestovitskiy等[9]分析了一种串级多孔降压结构，得到了阀口压降与小孔降压级数之间的关系．Hoeijmakers等[10]分析了节流元件穿孔对液压系统控制阀水力噪声的影响．目前常规的迷宫式、多级套筒式等调节阀多为单一流阻式减压，往往存在高温高压差工况下减压控速不平稳、空化严重等问题．本研究提出了一种基于流体对冲能耗与多级流阻复合降压的新型多级调节阀(空间转角蚁穴式多级调节阀)，该调节阀的节流元件具有体积紧凑、降压控速效率高、加工简单、更换维护方便等特点．通过计算流体动力学(CFD)流场仿真，研究了节流元件级间压力、速度及气体体积分随降压级数、不同压力等级下的变化规律．1 空间转角蚁穴式多级调节阀原理空间转角蚁穴式多级调节阀内部安装有多个空间转角蚁穴式节流元件(如图1所示)，通过该节流元件可实现调节阀的多级降压控制，将一次较大压降转化成多级小压降，并同时确保调节阀具有较好的通流能力．空间转角蚁穴式节流元件均匀布置在阀芯内部，节流元件内部结构如图1所示，采用了新型的空间转角流阻与对冲能耗的复合降压原理．在节流元件上均匀布置预设数量的径向通孔，每两个径向通孔为一组沿径向贯穿，形成四通对冲结构．当流体介质流入节流元件时被分成两股细流，两股细流进入腰型槽再经过转角后流入四通对冲结构，两股细流发生对冲，对冲后形成两股细流进入腰型槽，通过腰型槽后两股细流进入下一个四通对冲结构进行再一次对冲．10.13245/j.hust.231272.F001图15级节流元件结构如此不断重复流动、转角和对冲过程，将一次大的压降转化为数次小压降，从而实现流体介质压力逐级降低．节流元件内发生多次对冲可以限制流体速度，防止流体速度急剧增大，减少壁面冲蚀破坏．流体从入口进入节流元件，会依次历经第1~5级节流等5次降压过程，最终从出口流出，如图1所示进行了5级节流降压，此节流元件为5级节流元件．图2所示为本研究涉及到的各种不同降压级数的节流元件的3D模型，依据每个节流元件所能完成的降压次数，将其依次命名为1级节流元件、2级节流元件、3级节流元件、4级节流元件和5级节流元件．10.13245/j.hust.231272.F002图2不同级数节流元件模型2 网格无关性分析及实验验证2.1　网格无关性分析网格数量决定了计算精度和计算时长，为了确定在保证计算精度下的最小网格数，进行网格无关性分析．以4级节流元件为计算模型，设置入口压力为7 MPa，出口压力为1 MPa，分别获得了4级节流元件中每级节流处的压力、速度及出口处的流量，由于第4级节流处与节流元件出口直接连通，网格数量对其影响较小，因此并未单独列出．从表1数据可以看出当网格数量大于1.807×106时，其各级节流处的压力和速度逐渐趋于稳定，与网格相关性较弱，因此对4级节流元件数值计算网格选择1.807×106．用同样的方法确定1级、2级、3级和5级节流元件的最佳网格数量分别为7.09×105，9.75×105，1.204×106和2.338×106．10.13245/j.hust.231272.T001表1网格数量对仿真计算结果的影响网格数量/104压力/MPa速度/(m∙s-1)流量/(L∙min-1)第1级节流第2级节流第3级节流第1级节流第2级节流第3级节流250.25.133.752.4832.328.428.862.6180.75.133.742.4832.428.528.862.283.15.173.812.5031.528.428.963.247.55.183.882.4430.827.429.062.230.35.163.852.4030.627.529.360.82.2　数值模型的选择节流元件内部流道复杂，节流作用强，流量大，流速快，为湍流状态，选择计算稳定、求解精度高的RNG κ-ε湍流模型．由于其内部压力梯度变化剧烈，极易发生空化现象，因此仿真中采用混合两相流模型来进行计算，工作介质水作为主相，蒸汽为第二相[11]．当水介质的压力值低于其饱和蒸汽压时，此时空化现象就会发生．一般将由水和蒸汽所形成的混合物当作均匀水-汽混合物[12]，在空化模型中，液体汽化的质量转换数(主要考虑水的蒸发和水蒸气的冷凝)可以通过蒸汽的输运方程来得到，∂∂t(αvρv)+∇(αvρvVv)=Re-Rc，(1)式中：t为时间；αv为蒸汽所占体积分数；ρv为蒸汽密度；Vv为蒸汽的速度；Re和Rc分别为水蒸发为蒸汽和蒸汽冷凝为水的质量转移源项．模型中对蒸汽气泡进行简化处理，认为流体介质中的气泡大小一致，则可得到空化模型的最终数学表达式[13]     Re=Fvap[3αnuc(1-αv)ρv/RB]∙2(pv-p)/(3ρe)   ( p≤pv);     Rc=Fcond(3αvρv/RB)∙2(p-pv)/ρl        (   ppv), (2)式中：Fvap为水蒸发系数，Fvap=50；αnuc为气泡成核的体积分数，αnuc=5×10-4；RB为气泡直径，RB=1 μm；pv为液相与汽相之间的相变临界压力；p为流体压力；ρe为水蒸发为蒸汽的密度；Fcond为蒸汽冷凝系数，Fcond=0.01；ρl为液体密度．液相与汽相之间的相变临界压力[14]pv=psat+(0.39ρlk)/2，(3)式中：psat为液体的饱和蒸汽压，psat=3 540   Pa；k为温度．2.3　实验验证节流元件内部流动特性实验系统如图3所示，主要由电机、液压泵、过滤器、压力表、溢流阀、节流阀、流量计、被测节流元件和压力传感器组成．该实验系统可通过出口节流阀调节被试件出口背压，通过溢流阀来调节被试件的入口压力，流量计和压力传感器用来测量节流元件内部流体的流量和各级间压力．10.13245/j.hust.231272.F003图3实验系统原理图图4所示为常用的3级和6级节流元件仿真与实验数据对比(实线为实验测得的节流元件各级压力，虚线为仿真计算所得到的各级压力)，其中将3级节流元件的入口压力分别设置为9，11，13，15 MPa，出口压力设置为1 MPa；将6级节流元件的入口压力分别设置为13，17，21，25，29，33 MPa，出口压力设置为1 MPa．对比结果表明不同级数节流元件实验和仿真的各级压力变化趋势一致，实验和仿真的压力值最大相差7.98%，超过96%组数据的差值小于5%．实验与仿真所出现的偏差主要由传感器测量误差、实验系统溢流阀压力调定误差、仿真模型计算精度、实验压力传感器安装误差等综合造成，实验结果验证了CFD仿真计算的准确性．10.13245/j.hust.231272.F004图4不同级数节流元件级间压力仿真与实验对比3 流场仿真结果分析3.1　节流元件复合降压规律分析节流元件的降压过程主要包括转角和对冲两个部分，其中对冲降压过程非常复杂，流体能量耗散也主要发生在对冲环节，各降压级数的节流元件都有着相似的复合降压过程．为了便于研究节流元件内流体的能量耗散规律，选取1级节流元件来进行其内部复合降压规律的分析．图5所示为1级节流元件速度(V)矢量图，流道入口端的速度矢量分布比较均匀，流体流动平稳．当流体被分成两股细流进入腰型槽时流体方向发生变化，节流口的突然收缩使得流体速度突然增大，随后转角流体质点流动方向发生变化．在对冲中心处两股高速流体发生对冲，流体质点流动方向也迅速由纵向变为横向，这一过程导致对冲区域产生大量漩涡．流体再经过一次转角通过腰型槽流出，流入流出两次转角过程产生较大压降，随着流道的扩大流体速度恢复，但经过转角降压和对冲降压流体压力降低了很多．10.13245/j.hust.231272.F005图51级节流元件速度矢量图节流元件内部流体流动过程包含分流、汇合、沿程、转角和对冲等各环节，如图6所示，在节流元件内部划分六个区域(分别为A区、B区、C区、D区、E区和F区)，来进一步研究调节阀节流元件的复合降压原理．每个区域内布置有数个测点，在CFD-post中测量各个区域内测点的压力值并求取平均值．A区和F区分别代表节流元件的入口和出口，二者的全压差值即为节流元件的总压力损失；C区和D区表示流体对冲区，二者的压力差值即为由流体对冲产生的对冲压降；A区和B区之间的压差值为分流环节压降；B区和C区之间的压差以及D区和E区之间的压差值为转角压降；E区和F区之间的压差值为汇合压降．10.13245/j.hust.231272.F006图61级节流元件级间压力监测点布置设置入口压力分别为1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，6.0 MPa，设置出口压力为1.0 MPa，进行仿真计算，获取不同阀口压降条件下节流元件内六个区域的平均压力值，除以总压降即可得到各环节压降占比．计算结果表明压降最大环节是分流过程，占比约为37.76%，其次是2个转角环节，占比约为34.65%(单个转角压损占比为17.326%)，节流元件内发生一次对冲须要进行两次转角，因此两次转角环节压损较大．对冲环节压损约占总压损的22.92%，完成一次对冲过程须要两次转角降压和一次对冲降压，一次对冲的压损为两者之和，约为57.57%，采用该复合降压结构的对冲流道降压效率为单个转角降压(传统迷宫降压结构)效率的3倍，复合降压效率得到显著提高，节流元件具有良好的降压效果．3.2　5级节流元件流场仿真及降压特性多级降压调节阀可以通过增加降压级数来适应更高压降的工况，为了研究多级节流元件的流动特性，选择5级节流元件作为研究对象．设置入口压力为11 MPa，出口压力为1 MPa，阀口压降为10 MPa，进行仿真分析．图7(a)和(b)所示为5级节流元件各级对冲截面Y，Z方向压力变化曲线，由节流元件边缘到对冲中心的低速区，压力先减小然后增大，中心线两侧的压力呈对称分布，压力变化趋势一致，整个过程中压力波动较小，在对冲中心的低速区保持较大的压力．对比Y和Z方向的压力变化曲线可以看出沿Z方向的整体压力低于沿Y方向．图7(c)和(d)所示为5级节流元件对冲截面Y和Z方向的速度变化曲线(Y +和Z +分别为对冲截面中心在Y轴和Z轴正向方向上的距离)，由节流元件边缘外侧到对冲中心的低速区，速度由0 m/s迅速增大然后呈现一定幅度的减小．中心线两侧的速度呈对称分布，变化趋势一致．整个流动过程中速度波动很大，低压区的速度明显小于周围区域流体的速度．对比Y和Z方向的速度变化曲线可以看出，Z方向的整体速度大于Y方向的速度，节流元件采用渐缩式的设计，随着流道的收缩速度随之增大．10.13245/j.hust.231272.F007图75级节流元件截面Y，Z向压力与速度变化对不同降压级数节流元件进行空化特性仿真分析(如图8所示)，保持阀口压降均为20 MPa(进口为21 MPa，出口为1 MPa)．节流元件空化均发生在末级对冲的四个转角处和最后一级腰型槽处，该处的流体速度达到整个流体域内的最大值，流体局部压力低于流体介质的饱和蒸汽压，发生空化．10.13245/j.hust.231272.F008图8不同级数节流元件气体体积分数云图在阀口压降一致的情况下，降压级数越多内部整体流速和各级流速均会减小，5级节流元件最后一级的速度最大，空化也最严重；10级节流元件最后一级速度最小，空化也最小．仿真结果表明随着降压级数的增加，空化程度逐渐减小，为了减少空化汽蚀破坏可以适当增加节流元件的降压级数．3.3　不同降压级数节流元件降压特性仿真分析选取3级、5级和7级节流元件进行CFD数值仿真计算，对比分析降压级数对节流元件内部流动特性的影响，设置入口压力为11 MPa，出口压力为1 MPa，即压降为10 MPa．图9所示为不同降压级数节流元件级间压力和速度曲线，结果表明不同降压级数节流元件逐级降压过程依然保持线性降压，7级节流元件压力曲线下降速率最慢，3级节流元件压力曲线下降速率最快．7级节流元件各级分摊压降约为1.43 MPa，5级节流元件各级分摊压降约为2 MPa，3级节流元件各级分摊压降约为3.33 MPa．节流元件降压级数越大，元件内压力梯度越小，各级压降越小，流动越稳定．同时节流元件级间速度均呈现逐级增大趋势，且速度变化曲线接近线性．在相同压降条件下，降压级数越多，节流元件中的整体流速越小，各级之间流速波动越小，流动越稳定．仿真结果表明：采用多级流阻和流体对冲复合降压原理的节流元件，在不同级数下均具有较好的线性平稳减压控速调节性能．10.13245/j.hust.231272.F009图9不同降压级数节流元件级间压力和速度曲线3.4　不同多级流阻降压结构降压特性对比常用的传统调节阀降压元件有多层套筒型结构、多级流阻迷宫型结构、串联型结构等，其中多级流阻迷宫型结构应用较为广泛，本研究选取该结构作为对比对象，如图10所示．对相同长度条件下的迷宫型节流结构和本研究节流元件进行流场对比分析，设置入口压力为4 MPa，出口压力为1 MPa，即阀口压降为3 MPa，取两种节流元件的截面最大压力、平均压力、最大速度和平均速度进行对比．10.13245/j.hust.231272.F010图10多级流阻迷宫式节流元件为便于分析比较，多级流阻迷宫型节流元件用节流元件2表示，本研究的节流元件用节流元件1表示，图11所示为两种不同节流元件的级间压力与速度的对比．对于节流元件1和节流元件2，其各自的截面最大压力和截面平均压力总体趋势相近，节流元件2的第1级压降约为2.1 MPa，占总压损的70%．随后几级压降较小且均匀，每级压降约为0.18 MPa．整个降压过程压力变化较大，极易发生空化现象．节流元件1整个降压过程较平稳，每级压降几乎一致，各级压降平均值约为0.6 MPa，整个降压过程线性度更好．10.13245/j.hust.231272.F011图11两种节流元件级间速度与压力对比两种节流元件的截面最大速度和截面平均速度差异较大，节流元件2流道流体速度逐级减小，进口平均速度约为50 m/s，出口平均速度约为10 m/s，进出口速度相差较大(约为40 m/s)．节流元件1平均速度在第1级和最后一级存在较大波动，中间各级平均速度相差不大，整个降压过程速度较稳定．节流元件2截面最大速度与平均流速相差最大达2倍，截面流速分布不均，而节流元件1的截面速度场分布均匀、流速平稳，具有更好的控速性能．图12所示为两种节流元件空化特性对比，结果表明其空化均发生在节流元件的最后一级，节流元件2在末级流阻转角出口处产生了较大范围的空化，最大气体体积分数为0.995，而节流元件1只在末级对冲转角壁面局部范围出现空化，最大气体体积分数为0.943．对比结果表明本研究的节流元件相比传统多级流阻迷宫式节流元件能更好地抑制空化．10.13245/j.hust.231272.F012图12两种节流元件空化特性对比4 结论针对目前调节阀(迷宫式、多级套筒式等调节阀)在高温高压差工况下存在减压控速不平稳、空化严重等问题，本研究提出了一种基于流体对冲能耗与多级流阻复合降压的新型多级调节阀，实现了流体压力的逐级平稳降低，可有效抑制空化．通过CFD流场仿真，着重研究了其节流元件级间压力和速度随降压级数、不同压力等级下的变化规律，主要有以下结论．a. 分析研究了空间转角蚁穴式调节阀节流元件内部分流、汇合、沿程、转角和对冲等各环节流体流动过程中的复合降压原理，获得了降压过程中各环节压降占比分布，压损最大的环节是分流过程，占比约为37.76%．完成一次对冲过程须要两次转角降压和一次对冲降压，约为57.57%．采用该复合降压结构的对冲流道降压效率为单个转角降压效率的3倍，复合降压效率得到显著提高．b. 仿真分析了节流元件内部流场的压力场及速度场的分布特性，沿流体流动方向压力先减小然后增大，中心线两侧的压力呈对称分布，在对冲中心的低速区保持较大的压力，整个过程中压力波动较小．由边缘外侧到对冲中心，速度由0 m/s迅速增大然后呈现一定幅度的减小，在对冲区域两股流体相撞产生低速区，对冲区域流体速度急剧减小，低压区的速度明显小于周围区域流体的速度，对冲能耗降压减速作用明显．c. 采用多级流阻和流体对冲复合降压原理的节流元件，在不同级数下均具有较好的线性平稳减压控速调节性能．随着降压级数增加，节流元件内部每级压降越小，整个流体域内压力波动越小，压力梯度越小流动越平稳．相比传统的多级流阻迷宫式节流元件，本研究设计的节流元件具有更好的控速性能，能更好地抑制空化．