截止阀内流道空化形态演变规律及空蚀损伤试验研究

黄立华 ，王江云 ，2，侯琳倩 ，杨矞琦

（1.中国石油大学（北京） 克拉玛依校区，新疆克拉玛依 834000；2.过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室，北京 102249）

0 引言

空化现象在石油化工流体设备中普遍存在，流体流经节流元件时，流速增加，局部压力降低，当局部压力小于介质饱和蒸汽压时，流体内溶解的气核会迅速生长，并发展成气泡，产生空化。空化过程的高湍流及能量释放具有两面性，一方面流体空化会造成设备空蚀，导致流体机械损坏［1-2］，另一方面可以利用水力空化瞬间集聚的高能量为工业提供非常特殊的高温高压环境［3］，研究水力空化对提高流体设备寿命以及新兴技术发展有着积极意义。蔡宗航等［4-7］利用高速摄影技术研究了文丘里管内部空化过程小气泡脱落、尾部气泡脱落及云空化脱落等微观流动，结果表明随迎水面坡角角度增加，文丘里管内空化强度增加。李博等［8］通过流场可视化、压力采集、数值模拟对圆形截面的刚性管和弹性管内的单空泡和双空泡行为开展了研究，建立了管道内一次空化和二次空化过程空化位置和周期的关系。李颢钰等［9］用高速摄像技术研究空化气泡半径、无量纲距离、环境围压对空化泡溃灭微射流流速、溃灭压强的影响，得出空化泡溃灭微射流冲击壁面的最大速度随无量纲距离增加而减小，随空化泡半径增加而增加。壁面最大压强随无量纲距离增大而增大。史周浩等［10-11］在NACA翼型空化区增加局部微通道有效降低空化强度，减小空化诱导的结构振动。SHIN等［12-15］通过流场可视化分别研究了阀门和离心泵振动、空化损伤与空化强度之间的关系，试验表明空化状态下阀芯、离心泵振动、出口压力波动明显大于无空化状态时，空化损伤随空化强度增加而增加。

气液两相水力空化与流道结构以及流场稳定性相关，现有试验研究多采用文丘里管、旋转圆盘、管道、叶轮等对称结构作为空化流道结构，且多为稳定流态下的空化机理研究，未见对复杂流道的瞬态空化机理研究。石油化工行业常用的角阀、直通单（双）座阀、套筒阀等节流元件流道均为非对称结构，空蚀是影响其寿命和调节质量的关键因素，研究其空化机理有助于提高该类流体设备的性能。结合阀门流道结构设计了上、下凸圆非对称结构空化腔，对其流体绕流及空化发展过程进行详细分析，考察了不同空化状态下狭缝流速、空化指数之间的关系；采用高速摄像机观察了不同空化状态下非稳定流场气泡的演变过程及流动特性，为阀门非定常空化过程及阀门空蚀损伤分析提供理论基础。

1 空化试验方法

1.1 试验装置

截止阀作为流体控制设备被广泛应用于石油化工行业，它是通过调节阀芯与阀座间隙，改变阀的阻力系数，完成流量调节。流体从入口管段流经阀芯与阀座构成的狭缝到达出口管段，流体在流经阀芯与阀座构成间隙处易发生空化现象。试验装置结合直通式和直流式截止阀结构并参考KREALLA等［16］设计的突变流道空化装置，设计了如图1所示的空化腔结构，视窗采用透明玻璃树脂。装置流程如图2所示［17］。

图1 空化腔结构示意Fig.1 Structural diagram of cavitation cavity

图2 试验装置流程Fig.2 Flow chart of experimental device

试验介质为自来水，空化腔前、后压力调节范围为 -0.04～0.7 MPa，流量测量范围为 0～50 m3/h，管道直径为DN80。采用高速摄像技术实现气泡演变过程可视化，高速摄像机型号为5F01M，其最高拍摄刷新速率为2 000 FPS，图片分辨率1 280×1 024，试验以2 000 FPS采样速率记录临界空化和泡状空化，以1 000 FPS记录云状空化和超空化状态。LED光源和摄像机分别位于空化腔两侧。通过试验证明上、下凸圆（Ⅰ，Ⅱ区域）的狭缝宽度δ越小，产生空化能力越强，但狭缝宽度δ对空化状态分界点影响不大［18-20］。试验中采用固定的狭缝间隙，其间距 δ =3 mm，上、下凸圆半径R=9 mm。图中上凸圆Ⅰ后方阴影区域为空蚀靶区。

1.2 试验方法

首先高位水箱注入1.2 m3自来水静置12 h脱气，水温恒定40 ℃，预置入口调节阀开度50%、出口调节阀开度40%。启动离心泵，逐步减小进口调节阀开度，获取不同入口流量，同时减小出口调节阀开度，确保介质流动处于满管流动。流量稳定30 s后，记录空化腔前后压力，并利用高速摄像机观察空化腔内瞬态空泡演变过程。调节入口调节阀开度，改变狭缝处介质流速，形成不同空化状态。试验中水的流量范围为0.88～25.33 m3/h，根据上、下凸圆几何参数计算得到流经狭缝水的流速为2.72～77.97 m/s，狭缝处介质流速是管道内介质流速的10倍。

2 空化腔内空化演变规律分析

2.1 空化状态识别

空化腔进、出狭缝压力及流量参数变化规律见表1。由表可见，随流量增加进口压力增加，流体经狭缝节流作用后，水的流速增加，出口压力降低。空化腔前、后压差随进口流量增大而增加，当狭缝后流体压力小于当地流体饱和蒸汽压时出现空化现象，并随流量增大空化强度增加。

表1 空化流量参数变化规律Tab.1 Variation law of cavitation flow parameters

随着流量的改变，气泡呈现出了初生、发展、聚并、溃灭的特性，进而使流体表现出不同的空化状态。为了探究不同流量下空腔的空化状态，结合高速摄像机拍摄所得空化状态把空化腔内空化状态分为临界空化、泡状空化、云状空化及超空化4种状态，如图3所示。当流量接近1.38 m3/h时，空腔内产生了微小的空化泡，即气核或空化核，此时为空化形成的临界状态（试验管路中存在一定细小杂质，气核与杂质共存）。当流量增大至1.89 m3/h时，气核周围水的压强减小，气核内压强增加，使气核体积增大，形成非常显著的空化泡，此时的空化状态称之为泡状空化，如图3（b）所示。由图2（b）可以看出，在气液两相流体流动过程中，小气泡会碰撞团聚形成较大的空化泡团。当流量增大至5.66 m3/h时，流体的湍流强度增大，液相压强明显大于空泡内压强，导致大空泡不断破碎形成许多的微小空泡，出现云状空化如图3（c）所示。当流量大于20.54 m3/h时，出现超空化，如图 3（d）所示。

图3 不同流量时空化腔内空化状态Fig.3 Cavitation state in spatiotemporal cavity with different flow rates

随着流量增加，狭缝处过流速度增加，入口、出口压差增大，空化作用加强。空化腔流量、前后压力与空化状态关系如图4所示，出入口压差随流量增加呈现出S形曲线，非空化到泡状空化区间压差变化较小；云状空化状态时空化腔入口、出口压差增加较为迅速；超空化后接近临界节流状态，压差变化变缓。云状空化和超空化状态下入口压力迅速增加，出口压力变化较小，空化强度迅速增加，空化区域逐渐充满整个空化腔。

图4 流速、出入口压力与空化状态关系Fig.4 Relationship between flow rate, inlet and outlet pressure and cavitation state

图5示出流量、空化指数与空化状态关系。由图5可见，空化指数随流量增大呈现出对数型曲线，非空化和泡状空化状态下流量增大，空化指数快速减小；进入云状空化状态后，空化指数趋于稳定，到达超空化后空化指数出现极值点。

图5 流速、空化指数与空化状态关系Fig.5 Relationship between velocity, cavitation index and cavitation state

2.2 空化初生过程分析

分析空化腔流道结构可知，流体进入空化腔后，首先经过上凸圆的180°绕流运动，上凸圆附近边界层流体在上凸圆后方产生边界层分离，形成低压回流区，促使空泡产生；同样下凸圆也会产生类似的圆柱体绕流、边界层分离、空泡初生现象。用高速摄像机对空化腔内临界空化状态采用2 000 FPS的采样速率捕捉单气泡的产生，图6所示为空化腔内空泡初生位置。当流经空化腔的流体流量为1.38 m3/h时，空化腔内上凸圆后方低压区首先出现空化泡，上凸圆空泡初生位置如图6（a）所示，该流量条件下未观察到下凸圆上有空化泡产生。当流经空化腔的流体流量为1.89 m3/h时，在下凸圆背压侧湍流区观察到单气泡产生、脱离，下凸圆空泡初生位置如图6（b）所示。此时上、下凸圆同时有空化泡产生，相比于流量为1.38 m3/h时产生的气泡，此时上凸圆产生单个空化泡体积明显增大，上凸圆产生的空化泡一部分会随流体向上凸圆后方上部靶区撞击破裂，对靶区形成空蚀作用。由于下凸圆左侧流道截面积激增，流体流速降低。另一部分上凸圆空化泡会在此区域与下凸圆形成空泡发生聚并、旋转、溃灭。

图6 空化气泡初生位置Fig.6 Initial position of cavitation bubble

2.3 上下凸台空化协同出生过程分析

空化初生状态时，空化腔内以单个大空泡为主。图7示出流量为1.38 m3/h，过缝流速为4.26 m/s上凸圆单气泡瞬态演化过程，其中图7（a）～（f）分别为t=0，2.0，4.0，7.5，10.5，41.5 ms时刻空泡状态。由图7（a）可见，t=0时刻在上凸圆左侧负压区边界层分离位置产生半圆形气泡。气泡黏附在壁面上，并沿上凸圆壁面运动一段距离后在上凸圆边界层发生分离。分离时气泡体积增大，尾部拉长，如图7（b）所示。气泡分离后继续向下游移动，在t=4.0 ms时刻空泡随流动方向继续拉长，如图7（c）所示。气泡流经下凸圆顶部壁面发生旋转，且随着流道截面积增加，气泡表面压力减小，气泡逐渐恢复为球状，如图7（d）所示。图7（e）中t=10.5 ms时刻时，气泡在下凸圆的压力恢复区与其它滞留的气泡发生聚并，形成一个较大的气泡，并在该湍流区旋转、滞留。在t=41.5 ms时刻该气泡发生破裂、脱离、离开涡流区，如图7（f）所示。

图7 上凸圆单气泡演化过程Fig.7 Evolution process of upper convex single bubble

图8示出了当流量为1.89 m3/h，过缝流速为5.84 m/s时下凸圆空泡瞬态演化过程，其中图8（a）～（c）分别为t=0，20.5，39.5 ms时刻空泡状态。相比于上凸圆气泡演化过程，此时空化腔内空化作用进一步增强，在下凸圆上开始产生气泡，同时观察下凸圆和上凸圆气泡演变过程。由图8（a）中t=0时刻可见，在下凸圆下游背压侧空化核初生并发展成为单个气泡。气泡沿下壁面运动一个较小的距离后发生脱离，下凸圆产生的气泡沿低压区向下移动，在涡流区与其它气泡发生聚并，与上凸圆空化产生气泡不同，由于下凸圆涡流区压力相对较小，下凸圆产生气泡在聚并之前未观察到溃灭现象，下凸圆气泡从产生到聚并历时20.5 ms，气泡形态如图8（b）所示。与上凸圆产生气泡一样，该气泡在下凸圆湍流区滞留、旋转、聚集，最后溃灭消失，整个演变周期为39.5 ms，下凸圆产生气泡形态呈现圆球状，下凸圆气泡演变周期略小于上凸圆演变周期。

图8 下凸圆单气泡演化过程Fig.8 Evolution process of lower convex single bubble

当流量在1.38～1.89 m3/h之间，对应过缝流速为4.26～5.84 m/s，空化腔内介质处于空化初生状态，呈现出单个气泡由上、下凸圆边壁低压区产生并随流动方向逐渐脱离壁面向下游流动，受流道及壁面条件影响，气泡发生旋转，变形，破裂或聚并现象。绝大部分气泡会向下凸圆下游低压区汇聚长大，最终破裂；少部分由上凸圆初生的气泡会向上部靶区流动，并破裂，直接冲击靶区，产生空蚀作用。但在空化初生阶段，空蚀损伤非常微小。

2.4 云状空化演变过程分析

当流量达到5.66 m3/h时，出现云状空化状态，进入云状空化后随流量增加，空化强度增幅变缓。图9示出空化腔内云状空化，此时，空化腔内单空泡夹杂部分小气泡共同流动。云状空化过程中气泡几乎充满了整个空化腔，且以微小空泡为主，气泡聚并破碎时间较短，高速摄像机获取的图像显现为云雾状。在空化腔上表面和下凸圆后方靠上的位置形成2个明显的高气含率区，如图9中所示两处较亮的区域，主要原因是大量空化泡在该区域融合溃灭导致局部气含率较高。上、下凸圆及狭缝后部流道内流速较高，湍流强度较大，在靶区附近形成高气含率区域。上、下凸圆处生成的空泡流经下凸圆后方截面尺寸较大处，流体压力逐渐恢复，形成大漩涡状空泡融合溃灭区。流速降低湍流强度变弱，在下凸圆后方形成高气含率区域。其中上凸圆后方空泡团聚溃灭会形成较强的压力冲击，对靶区金属形成强烈空蚀损伤，前期研究发现靶区金属在云状空化状态下，5 h后靶区金属出现了明显的空蚀坑［18-20］。

图9 云状空化气泡演化过程Fig.9 Evolution process of cloud cavitation bubble

2.5 超空化状态过程分析

当流量达到20.54 m3/h时，空化强度又进一步激增，云状空化发展为超空化，流动接近临界节流状态。流量继续增加时，空化强度增速趋缓并到达极值，空化腔内空泡粒径显著减小，数量激增，极微小气泡布满整个空化腔，微空泡溃灭引发波动效应增强，空泡发展及溃灭过程加剧，阀芯与阀座的空蚀损伤程度达到极值。超空化状态下视窗透光率很低，空化强度到达极值时透光率接近零，高速摄像机将无法获取流场内流动形态。

3 结论

（1）随着流量增大，上下凸圆狭缝节流作用增强，空化作用增强，空化状态可划分为非空化，泡状空化，云状空化及超空化4个状态。

（2）上凸圆空化气泡初生位置在与水平夹角135°位置，下凸圆气泡初生在与下凸圆法线成45°位置。上、下凸圆气泡最终都会在下凸圆后方湍流区发生团聚，在该区域旋转、滞留、溃灭消失。上、下凸圆气泡演变周期均在40 ms左右。

（3）上、下凸圆气泡演化过程分为初生、发展、脱落、溃灭、团聚、再溃灭。随空化强度增大，空化演变呈现一定规律，从初生状态下的单体大空泡到云状空化的大小空泡共存，再到超空化状态的微小空泡充满空化腔。

（4）泡状空化单体大空泡破裂对阀芯、阀座产生的冲击作用较弱，云状及超空化空泡团聚、溃灭对阀芯、阀座造成的空蚀损伤较大。