煤液化技术是目前世界上煤炭高效清洁利用发展新方向．煤液化调节阀的作用在于调节热高压分离器的液位和平衡煤液化热高压分离器与高温中压分离器之间的高压差，在高温、高压差、高流速的工作环境下长期运行，往往会出现诸如气蚀、泄漏等现象，导致整个煤液化系统处于无法运行状态[1]．当煤液化调节阀工作时，空泡在阀芯表面破裂产生的压力冲击导致阀芯表面金属剥落，阀芯头部承受高速回流流体的冲击作用、节流口处的气蚀磨损，均是造成阀芯磨损和调节阀失效的主要原因[2-3]．探究煤液化调节阀关键部位空化时空分布特征，有助于对调节阀易空蚀部位预测，进而保障煤液化系统的安全平稳运行．液压系统中空化现象普遍存在，其会使液体失去连续性，形成两相流动，并带来一系列的不利影响，包括空蚀、噪声、振动、压力或流量脉动[4-6]．空化引起的空蚀破坏可采用试验测试和数值仿真等方法[7-9]检测．Oshima等[10]通过实验测量揭示了水压锥阀在不同工况下的空化分布及流量特性，分析了空化结构的分布规律．Nie等[11]结合计算流体力学(CFD)方法分析了多种水压锥阀内部流场的压力分布规律，并基于压力分布最佳原则提出了两级式水压锥阀的结构优化．Yuan等[12]用计算流体力学方法分析了油压锥阀拟序结构的演变状态，对流场整体流动状态开展了定性分析，并揭示了流量特性的阶段性变化趋势．Yuan等[13]基于集总参数法和全空化模型，结合改进的亨利定律和空气多变过程，提出一种考虑温度因素的动态体积模量计算模型．闵为等[14]运用可视化的试验方法，研究锥阀在弹簧预压缩量不变且开启压力低于2.5 MPa时的阀芯振荡过程和阀口空化现象，指出当流量低于2.0 L/min时，阀芯出现失稳振荡，并在阀口处流场瞬间断流，大量气泡在阀口尾部快速溃灭，出现明显的回弹现象．目前对空化特性的定量研究即数值模拟研究多数以气体体积分数为典型特征参量来评价空化强弱[15-16]，实验研究多从空化图像中提取空泡形态、长度等特征评价空化发展的程度[17-18]，缺少对空化流场时空信息的定量表征．将图像处理技术与高速摄影技术和流场可视化相结合[19-20]，可以提高空化流场特征数据的表征和提取的标准化程度．李其弢等[21]通过对图像的滤波、灰度拉伸、图像校准、边缘检测等操作，总结出适合在超空泡水洞实验中应用的自动图像获取技术，得到高速摄像图像中的空泡外形和振动周期等参数．刘荣丽等[22]将计算机图像处理技术应用于水流掺气浓度的实测，提出一种自动识别水气二相流中气泡的数字图像处理方法，该方法可以实现水流掺气浓度场的测量．Zhang等[23]通过高速摄影和粒子图像测速探究小尺寸收缩-发散文丘里型通道中形成的局部空化现象，探究了控制空化结构和不稳定性的物理机制．Coutier等[24]通过快速成像技术测量了空化区域内部的速度场和两相流形态．Khlifa等[25]利用X射线成像和图像增强技术测量了文丘里管内高速空化流流动状态．但是上述研究欠缺对调节阀内气液两相流中气相体积分布的定量分析．针对煤液化调节阀存在的易磨蚀、服役寿命短的问题，通过引入新的气相评价参数空隙率表征两相流中气相体积分数，开展空化图像的定量分析．此外，考虑到空化溃灭会对壁面结构造成空蚀破坏，涉及的时空尺度范围很广，提出空泡溃灭损伤评价参数空隙率变化速率，探究煤液化调节阀内易发生空化损伤薄弱部位，为煤液化调节阀空蚀损伤预测提供有效的技术手段．1 实验部分实验中液压系统示意图如图1(a)所示，通过调节溢流阀和背压阀使试验阀的输入、输出压力达到设定值，实验阀门两端压力由压力表进行实时测量，以此进行不同工况下空化分布和发展特性研究．空化图像采集系统由高速相机、发光二极管(LED)光源、透明调节阀及电脑组成．通过高速数字摄像机捕捉并拍摄调节阀节流口处空化流动中的空穴结构形态的发展变化过程，高速拍摄相机型号为Phantom VEO-710L，最大分辨率为1 280×800． 10.13245/j.hust.240619.F001 图1试验系统 1—背压阀；2—流量计；3—出口压力表；4—传感器；5—测试调节阀；6—入口压力表；7—溢流阀； 8—LED光源；9—高速相机；10—电脑．10.13245/j.hust.240619.F002图2空化图像处理流程10.13245/j.hust.240619.F003图3空化云图分布及误差分析10.13245/j.hust.240619.F004图4空化场形态演变规律10.13245/j.hust.240619.F005图5不同入口压力下空化形态及空隙率变化特征10.13245/j.hust.240619.F006图6平均空隙率随时间和空间的变化关系10.13245/j.hust.240619.F007图7不同入口压力空化长度变化10.13245/j.hust.240619.F008图8不同入口压力空化面积变化曲线10.13245/j.hust.240619.F009图9调节阀阀座上方和下方空泡损伤示意图10.13245/j.hust.240619.F010图10调节阀上游空隙率变化速率图1　试验系统为了便于观察调节阀内部空化场时空变化情况，调节阀采用透明光滑的有机玻璃(PMMA)作为试验阀阀体的材料，如图1(b)所示．根据动力学相似原理，模型阀为工程实际用阀尺寸的1/10．发光二极管光源和高速相机在透明阀同侧，采用高速相机捕捉不同工况下透明调节阀模型中空化流场．实验中保持背压为0.4 MPa不变，入口压力分别调节为2.5，3.0，3.5，4.0，4.5 MPa，进而探究入口压力对调节阀内部空化流动现象及空化的分布形态的影响．2 基于空隙率的空化图像分析方法由于气相和液相折射率不同，气泡反射光强于液压油的反射光，因而采用高速相机捕捉到的空化图像上将出现不同的灰度级，其中白色泡团颜色越明亮，则代表空化越严重．数字图像处理的总体流程如图2所示(图中λ为空隙率)，以进口压力为3.5 MPa，背压为0.4 MPa，入口流量为24.22 L/min条件下空化泡流动状态为例．将高速相机拍摄的空化图片进行背景消除后，须要增加空化泡的灰阶来提高空化图像的亮度．将拍摄的空化泡图像进行灰度批量处理，选择无空化图像图2(b)作为背景图像；从图2(a)空化图像中连续减去图2(b)空化图像获得图2(c)．采用Otsu最大类间方差法[26-27]选定阈值，进行阈值分割获得一系列空化图像，见图2(d)．图2(e)中空化图像的网格单元划分及空隙率计算：实验中通过高速相机采集到的空化图像分辨率为722×1 242，每张图片包含像素点数为8.967 24×105，为准确计算每个像素点所对应的空隙率，将空泡流动图像在Y方向上256等分，在X方向上532等分，最终将每个空泡流动图像划分为1.361 92×105个网格单元，每个网格单元中包含9个像素点．经过阈值划分后，计算出各个网格单元中为1的像素点个数，有f(x,y)=1      (x,y)∈R;0      (x,y)∉R . (1)通过统计空化流动图片每个网格单元为1像素点的个数，分别获得不同空化状态下图像网格单元内统计情况，定义无空化状态下空化泡流动图像每个网格单元为1的数量为Li，局部空化下空化泡流动图像每个网格单元为1的数量为Ji，完全空化下空化泡流动图像每个网格单元为1的数量为Fi，结合Lambert-Beer定律[23]，定义空隙率λ来描述流场内气体体积分数空化流场的变化，基于空隙率λ的气体体积分数的表达方式，具体定义为λ=1-ln(Li/Ji)/ln(Li/Fi)．(2)根据式(2)，进口压力为3.5 MPa，背压为0.4 MPa条件下调节阀内空隙率λ的分布如图3(a)所示．为了评估使用空隙率来估计调节阀流道内气相体积分数方法的准确性，定义相对误差δ=(λ-λ¯)/λ×100%, (3)式中λ为一张图像计算出的气相参考图像计算得到的空隙率．在相同试验工况下分别拍摄30张无空化和完全空化的校准图像，分别根据30张无空化和完全空化校准图像计算得到局部空化时的空隙率，进一步计算得到30组局部空化时的空隙率平均值λ¯．图3(b)为调节阀流道中X=80～130 mm范围内的空隙率误差情况，从图中可以发现：在相同试验工况和空化周期条件下不同数量校准图像计算获得的空隙率数值几乎一样，二者之间的相对误差较小，大部分位置处相对误差在1%左右．但当X=90～100 mm和X=110～120 mm时，相对误差相对较大，约为3%～5%，说明空隙率这个指标可以准确描述调节阀内空化特性．采用图2(e)单张空化图像X方向的平均空隙率λm来进一步定义空化的中心轴向长度，将λ＞λm的轴向长度定义为空化长度，有λm=(λmax+λmin)/2. (4)利用Canny算法提取出图2(e)中空隙率的边缘，可以统计并计算其边缘内部发生空化区域的面积如图2(f)所示，Sλ=(Nλ/N)St，(5)式中：Sλ为空隙率分布区域对应的面积；Nλ为空隙率对应区域所占的像素点数；N为空化图像总像素点数；St为空化图像总面积．3 结果与讨论3.1　空化形态演变特性图4为入口压力为3.5 MPa，背压为0.4 MPa，流量为24.22 L/min时不同时刻(τ)下调节阀内的空化图像．在τ0时刻，空泡在节流区域初生，在τ0～τ4时刻，空泡逐渐向喉部及扩张段延伸，并在τ4时刻，空化达到最大，下游扩张段出现游离型空泡．在τ5～τ8时刻，游离型空泡溃灭，即完成了一个周期的空化演变．采用图2所示图像处理方法，对实验空化图像进行背景去除(b)和阈值分割(c)，读取每个像素点的灰度值进行阈值划分和网格划分，通过式(2)计算每个单元内空隙率变化如图5(d)所示．空泡流图片中亮度较大的区域对应空隙率也较大，空泡强度较强；空泡流图片中较暗的区域，对应位置处空隙率也较小．这表明空隙率分布基本上反映了拍摄空泡流图片中的空泡时空分布特征．由图4(d)可以看出调节阀空化呈初生、发展、脱落和溃灭的周期性变化趋势．当空化发生时，空隙率较大(红色区域代表空隙率数值高于0.85)的区域集中在阀芯头部，随着空化的发展，红色区域占据了调节阀的喉部，并在下游出现游离型空化，游离型空化的空隙率大于0.8，其溃灭时会对阀壁造成严重的破坏．当发展至τ4时刻时，空隙率所占空间达到最大，红色区域发展至扩张段，τ5时刻空化开始溃灭，直至τ8时刻溃灭结束进入下一发展周期．空隙率可以表征空化随时间的演化过程，实现调节阀空化流动的时间和空间维度演化过程的定量分析．当改变入口压力( pin)分别为2.5，3.0，3.5，4.0，4.5 MPa，开度为30%，背压固定为0.4 MPa时，调节阀内空泡的形态演变过程如图5(a)所示．当入口压力保持不变时，调节阀内部空泡先呈现附着型增长，而后饱和逐渐断裂脱落，最后呈现游离型空泡增长和溃灭．当入口压力为2.5 MPa时，空泡形态较为稳定，喉部的附着型空泡持续存在，扩张段前端有少量附着型空泡存在，空泡尾部有轻微波动．随着入口压力的增加，空泡体积逐渐增大，空化越发严重．当入口压力增加至4.5 MPa时，附着型空泡发展的面积和空化长度逐渐增加，脱落的游离型空泡也逐渐变大且向更下游处发展，直至堵塞了喉部及扩张段处的流道，形成阻塞流．空泡的存在很大程度上影响了调节阀内部流场的分布，实验现场发现此时伴随着严重的气蚀振动和噪声．图5(b)为不同入口压力下空隙率随时间的变化规律，对比图5(a)中空化形态演变特征可以发现：当入口压力为2.5 MPa时，主要以小空泡聚集的形式集中在调节阀阀芯头部；随着入口压力的增加，阀芯头部形成的空泡及泡群体积增大，空隙率数值也逐渐升高．当入口压力为3.5 MPa时，喉部区域附着型空化几乎为深红色(深红色区域代表空隙率数值高于0.9)，且气泡边缘颜色较浅为蓝绿色(蓝绿色区域代表空隙率数值低于0.4)，空泡边缘比较清晰．当入口压力继续增大至4.0 MPa时，深红色区域已经发展到扩张段，出现脱落的游离型空泡，脱落的游离型空泡形态较小，中心区域空隙率数值较大，空泡边缘空隙率数值较小，空泡流越不稳定，越容易溃灭．3.2　空化平均空隙率变化情况提取不同入口压力下调节阀内X轴方向空隙率数值，求解各X轴方向每个单位上空隙率的均值，绘制得到不同时刻沿X轴方向平均空隙率数值变化如图6所示．可以发现：沿X轴方向，在τ0时刻平均空隙率较小，空化呈现初生状态；随着空化周期的变化，在τ0～τ4时刻空泡生长逐渐充满调节阀喉部，平均空隙率逐渐增大；在τ4时刻平均空隙率达到最大，此时空泡强度最大；伴随着空泡的脱落与溃灭，在τ6和τ7时刻平均空隙率数值逐渐降低，在τ8时刻达到最小．整体来看，在X=80 mm处空泡开始发展，随入口压力不断增加，空泡逐渐向X=140 mm方向发展；当压力为3.5 MPa时，开始出现游离型空化，游离型空化的溃灭极易对调节阀扩张段阀壁造成破坏．3.3　空化长度及面积变化图7(a)为根据式(4)计算两个周期内(t为时间，T为周期)不同入口压力下调节阀内的空化长度(L)，可以发现空泡的长度呈现先增加后减小的周期性变化．这是因为调节阀内部空泡先呈现附着型增长，而后饱和逐渐断裂脱落，最后呈现游离型空泡增长和溃灭的过程．结合图7和图8的空化流时空分布情况，还可以发现：随着入口压力的增加，调节阀阀芯头部被空泡完全遮挡，白色空泡区域亮度也逐渐增大，空隙率数值较大，空化强度逐渐增强．当入口压力从2.5 MPa增加到4.5 MPa时，τ4时刻调节阀内空化长度由53.81 mm增大至103.84 mm，长度增加约一倍．空化周期易随入口压力的增大而增大，当入口压力由2.5 MPa增加至4.5 MPa时，空化周期增加了0.2 ms．图7(b)为当入口压力为3.5 MPa时，不同时刻下空化长度变化情况．在τ0～τ4时刻，空泡处于初生和发展阶段；在τ4时刻，空化最为严重，空化长度达到最大80.31 mm；在τ4～τ8时刻，调节阀下游出现游离型空化，伴随着游离型空化的溃灭，空化长度逐渐减小至21.73 mm．空化长度的变化趋势与上文分析一致，进一步说明空隙率能够较好地反映空化流场的时空变化情况．图8为根据式(5)计算得到的不同入口压力条件空泡面积．与空化长度变化类似，尽管入口压力不同，空化面积也呈现先增加后减小的周期性变化．当压力为2.5 MPa时，空化的发展始于阀芯头部，集中在喉部区域，空化发展的最大面积为79 mm2．随着入口压力的增加，空泡强度及面积随之增大．当入口压力为3.5 MPa时，空泡已占据调节阀喉部，并已完全遮住阀芯头部，此时空化面积为128 mm2．当入口压力继续增加至4.5 MPa时，空泡已占据整个流道，空化面积高达148 mm2．此外，图8(b)为当入口压力恒定为3.5 MPa时，不同时刻空化面积和空化轮廓变化情况，空泡呈现先生长再脱落最后溃灭的变化趋势；与之对应，不同时刻的空化面积呈现先增大后逐渐减小的变化规律．在τ4时刻，空化面积达到最大，并且下游扩张段已出现脱落的游离型空泡；在τ5时刻，脱落的游离型空泡开始溃灭，空泡的溃灭极易对调节阀壁面产生破坏．3.4　空蚀风险预测附着型空泡生长发展的区域主要集中在喉部，扩展段游离型空泡的溃灭也是导致阀座空蚀损伤的一个重要因素[28]，因此重点讨论图9所示的阀座喉部、扩张段上游和下游的空泡溃灭情况．为了定量讨论游离型空泡溃灭对阀芯及扩张段阀壁破坏的影响，提出空隙率变化速率β作为空泡溃灭的评价指标，即β=(λt2-λt1)/(t2-t1)．探究不同入口压力下( p1 = 2.5 MPa，p2 = 3.5 MPa，p3=4.5 MPa)游离型空泡溃灭发生的位置，为调节阀薄弱部位优化提供参考．当空隙率变化速率β＞0时，代表调节阀内空泡的生长；当空隙率变化速率β≤0时，则表示空泡的溃灭，据此可以判断该处存在空蚀风险，可用以预测调节阀内易发生空化损伤区域．图10为不同入口压力下调节阀内部流道上游Y=68 mm处空隙率变化速率．在τ0～τ4时刻，空隙率变化速率始终为正值，说明该段时间内空泡处于初生和发展阶段，尚未有空泡溃灭发生．τ5～τ8时刻内阀芯头部附近和扩展段处空隙率变化速率开始出现负值，说明空泡发展的过程中开始出现游离型空泡溃灭，会对阀芯和附近的阀壁产生空蚀破坏，这与文献[1]报道的结果一致．当压力为2.5 MPa时，上游空隙变化率达到最小值-20 000 s-1，阀芯头部附着型空化损伤区域为81.67～98.67 mm，扩张段游离型空化损伤区域为127.23～173.34 mm．当入口压力增大至4.5 MPa时，上游空隙率变化速率的最小值为-14 285.71 s-1，阀芯头部附着型空化损伤区域为81.67～106.67 mm，扩张段游离型空化损伤区域 为135.83～198.34 mm．调节阀下游Y=40 mm处空隙率变化速率的变化趋势与上游类似，见图11．当入口压力为2.5 MPa时，调节阀附着型空泡溃灭的区域为90.02～10.13245/j.hust.240619.F011图11调节阀下游空隙率变化速率102.50 mm，即调节阀阀芯头部位置．游离型空泡溃灭区域位于调节阀扩张段124.34～165.00 mm，随入口压力的增大，空泡溃灭位置亦逐渐向下游发展，当入口压力为4.5 MPa时，附着型空泡溃灭位置为85.83～94.16 mm，游离型空泡溃灭区域为135.83～206.67 mm．对比调节阀上下游空泡溃灭情况，调节阀内附着型空泡溃灭主要集中在阀芯头部位置，游离型空泡溃灭区域呈非对称变化，上方附着型空泡溃灭区域显著大于下方附着型空泡溃灭区域．此外，相对于上方，下方游离型空泡溃灭起始位置较为提前，截止位置较为滞后，说明调节阀阀芯及阀座的破坏区域均是非对称的，这与文献[29]报道一致．4 结论为探究调节阀内复杂的空化流动分布特征，提出了基于空隙率λ的评价指标来表征高速相机捕获的两相流图像中气相体积分数，据此提出空泡溃灭损伤评价参数(空隙率变化速率β)，实现调节阀内易发生空化损伤薄弱部位的预测，结论如下．a. 空隙率与实验两相流中的气相体积分数呈正相关，其不仅可以表征空化随时间的演化过程，同时还可以揭示空化周期与空化程度的定量关系，实现调节阀空化流动的时间和空间维度演化过程的定量分析．b. 调节阀内空化状态与气/液两相混合物内部空隙率和进出口压力密切相关，随着入口压力的增加，空化生长较快，空隙率数值增加，两相流中气相体积分数相应增大．当入口压力较小时，空泡以小空泡聚集的形式集中在调节阀阀芯头部；随着入口压力增大，扩张段出现脱落的游离型空泡．c. 当入口压力保持不变时，调节阀内部空泡先呈现附着型增长，而后饱和逐渐断裂脱落，最后呈现游离型空泡增长和溃灭的周期性变化过程．不同入口压力下调节阀内的空化长度和空化面积均呈现先增大后减小的周期性变化．当入口压力从2.5 MPa增加到4.5 MPa时，调节阀内最大空化长度和最大空化面积均增加约一倍．d. 当调节阀空泡发生溃灭时，空隙率变化速率β开始出现负值，随着入口压力增加，调节阀附着型空化损伤位置主要集中在阀芯头部，阀座游离型空化损伤的位置逐渐向下游发展．当压力为2.5 MPa时，空化损伤区域起始于调节阀喉部位置；当压力增加至4.5 MPa时，空化损伤区域延伸至扩张段．e. 调节阀流道上方和下方空化损伤区域为非对称结构，下方的游离型空化损伤区域起始位置提前于上方，截止位置迟于上方，即下方整体游离型空蚀破坏位置提前于上方．随着入口压力的增加，空化损伤区域也逐渐扩大．