多相流閥門及相連管道空化-空蝕特性及預測方法研究.pdf

1、化工工藝過程中高溫、高壓工況和復雜的流動介質(zhì)極易引起節(jié)流減壓過程相關設備的空蝕失效問題，最終造成設備的穿孔、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)設備，對于空蝕破壞，單純的材料升級難以保證裝置的長期穩(wěn)定運行。因此結合實驗和數(shù)值模擬方法，研究閥門類型結構中空化空蝕特性，探索空化空蝕的預測方法，對于閥門及相連管道結構類型的空蝕破壞的提前預警乃至徹底消除空化流動中壁面的空蝕損傷具有重要的意義。
　　本文以實際減壓閥為原型制作

2、了閥門模型結構組件和帶有可視化觀測窗的閥門試驗段，通過自主設計搭建的空化水洞實驗裝置對不同條件下空化空蝕特性進行了實驗研究，得到了空化空蝕現(xiàn)象隨空化數(shù)和時間的演變規(guī)律。然后通過試驗段的數(shù)值模擬研究，結合空化實驗規(guī)律對計算模型中空化模型系數(shù)進行了修正，較為準確的對空化實驗現(xiàn)象進行了數(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速率作為表征參數(shù)，對實驗中空蝕區(qū)域進行預測。并通過實際空蝕失效案例的應用分析，驗證了預測方法的可靠性。

3、本文的主要工作和結論如下:
　　(1)通過圖像后處理方法得到了可視化空化實驗中空化區(qū)域特征線及其穿過空化區(qū)域的特征長度，特征長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，在閥門模型試驗段中觀察到3種典型的空化現(xiàn)象:(a)空化長度發(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)空化長度顯著的周期性變化，同時伴隨著空化云脫落、潰滅現(xiàn)象的云空化。
　　(

4、2)空化實驗中空化現(xiàn)象不具有對稱性，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依次在σ=1.72、1.55和1.33時出現(xiàn)，云空化的脫落僅發(fā)生在上半?yún)^(qū)域?？栈瘮?shù)減小時，空化長度會逐漸增大，且增長速率也逐漸增大。
　　(3)空蝕實驗結果中鋁膜表面蝕點區(qū)域的長度隨時間基本保持不變;蝕點面積隨著時間的增加逐漸增大，在15min至30min間有激增段，最終在60min時會趨于穩(wěn)定狀態(tài)。本實驗中未發(fā)生空化脫落的下閥座空蝕蝕點面積更

5、大，受到更嚴重的空蝕破壞。
　　(4)對試驗段進行二維結構的數(shù)值模擬，對比分析Zwart-Gerber-Belamri空化模型中不同模型系數(shù)的仿真結果，得出減小模型中蒸發(fā)系數(shù)Fv或增大凝結系數(shù)Fc都會顯著的降低上閥座空化的長度和強度;增大Fv或減小Fc則會顯著提高下閥座空化的長度和強度的規(guī)律，其他改變對于相應區(qū)域的空化現(xiàn)象影響較小。最后得到F=200、E=0.1這一組改進的模型系數(shù)，對于穩(wěn)定的附著空化和非定常的云空化脫落過程都取得

6、較好的模擬效果。
　　(5)基于改進的空化預測模型，以數(shù)值計算結果中氣相凝結速率作為表征參數(shù)對空蝕區(qū)域進行預測，得到的凝結區(qū)域與實驗中空蝕區(qū)域吻合性較好。預測結果中空蝕的起始位置與實驗結果相同，空蝕區(qū)域長度的預測誤差在9％左右。氣象凝結區(qū)域的位置和范圍與空化現(xiàn)象的形態(tài)特性緊密相關，準確地空化現(xiàn)象數(shù)值模擬結果是準確預測空蝕的前提。本文得到的空化空蝕預測方法應用于實際空蝕失效分析后也取得較好效果。
　　本文的創(chuàng)新點: