周义
湖北华电江陵发电有限公司 434100
【摘要】随着国家节能减排的深入实施，在电力设备中，尤其是电厂用阀门上的优化设计工作有了新的发展。为了有效研究所设计的阀门的安全性，提高其在使用过程中的可靠性。本文对阀门在使用过程中出现的“闪蒸”损坏的情况采用现代分析方法进行研究。
关键词：管道；数值模拟；闪蒸；湍流强度
一．问题的提出
某电厂经三次启动试运行后，发现阀门出口直管段下游90°直角转弯部位端盖被“闪蒸” 破裂的强大冲击爆破释放出强大的能量，不断冲击阀盖，最终一只端盖被击穿，另一台阀后的端盖也即将被击穿。
二．端盖破坏原因初步分析
从破坏端盖材料试样的分析结果来看，高频强冲击爆破能量释放引起的空化现象，在端盖表面冲击工况恶化形成恶性循环，变薄最终被击穿。
由于现场安装的要求，阀门出口汽水的两相介质在阀门后直管段形成稳定流动状态前进入90度直角转(端盖)。端盖的扰动会使流动状态发生剧烈的改变，在端盖底部会形成一个湍流强度大的漩涡。“闪蒸”破裂释放的巨大能量会引起端盖的空化损伤。
三．端盖破坏原因的数值模拟分析
3.1 Fluent流场分析湍流模型理论基础
流体动力学理论中湍流是一种流态复杂、可控性差的流动。细微的密度变动并不对流动造成明显影响，在此忽略密度脉动的影响，假设调节阀内部流体为不可压缩粘性流体，可得湍流平均流动控制方程如下：
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连续方程 (1)
动量方程（Navier-Stokes方程）
(2)
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以上两方程为湍流基本方程，其中代表流体密度，代表速度矢量在x方向的分量，表示流体粘度，代表源项。
Fluent中为我们提供了三种不同的湍流模型，即标准模型、RNG模型和Realizable (带旋流修正)模型。比较而言，对于有强漩涡流和带有弯曲壁面流动的流态特征而言，Realizable (带旋流修正)模型较标准模型和RNG模型有更好地适用性，能更准确的描述出流体的流动特征。
3.2 定常流动的数值模拟和结果分析
根据实况，选取可实现湍流模型模型，设置流体的特性为高温高压水，加载炉水膨胀工况的阀前、阀后介质工况参数（Q=198t/h P1=10.09MPa.a， t=311℃；P2=0.467MPa.a ），根据水和蒸汽性质表计算在311℃，压力10.09MPa条件下水的密度为688.658kg/m^3,动力粘度为8.184e-5kg/m-s. 采用一次迎风格式迭代计算，进行流场初始化，设置残差大小，设定控制参数及迭代次数等，就可以进行数值分析并得出求解结果。当所有的控制方程中变量的残差小于我们设定的残差值时，迭代计算完成。通过Fluent或者通用的CFD-Post软件查看计算结果。结合该调节阀全流道的速度云图和湍流强度云图，以及流体在流道对称面上的流线图进行分析，研究其内部的流态分布情况。
可以清楚的看出流体在阀门中的流态，在90°直角转弯端盖处存在非常严重的涡流现象，深入研究发现在90°直角转弯端盖附近，漩涡严重的区域取若干点的速度值和湍流强度值可以得到，漩涡边缘的速度为3m/s左右，漩涡中心的速度几乎为0.流体对90°直角转弯端盖底部的冲击速度在1.5m/s左右。而且在漩涡附近和端盖处的湍流强度在80%-200%之间。
由于直管段太短，在介质流经阀门节流后（有扩容性）流速较大，未形成稳定流态前，介质流在90°直角转弯处流态在扰动漩涡非稳定湍流流态的作用下，在端盖底部形成湍流强度较大的急剧漩涡冲击流态，汽水两相介质中的气泡将强烈撞击端盖底部（出口管中心线偏右部位）“闪蒸”破裂，存在高频强大的冲击爆破能量释放，在端盖表面冲击性冷作疲劳汽蚀使其减薄，最终被击穿。分析与阀门管组经试机造成端盖击穿现象结论吻合。
4．提出改进方案与结果分析
通过上面的分析可以看出，出现上面现象的主要原因就是在流体未形成稳态流前就强迫流体发生大的方向改变，导致在直角转弯端盖处形成非常大的涡流现象，从而产生“闪蒸”破坏。为了避免这种现象，同时要满足电厂安装工况的要求（保持阀后直管段长度1052mm不变）,以及实际施工条件（工期和成本）的要求提出两种解决方案。（1）把底部端盖加盲长2米；（2）把直角弯头换成圆角弯头。
4.1底部端盖加盲长模型的计算结果及分析
从流体在阀门中的流线图来看，这种方案没有改善涡流现象，反而是端盖底部的涡流更加严重，大量流体在底部形成巨大的涡流，不仅会对底部产生强大的汽蚀破坏，而且消耗大量的能量，仍然会对端盖底部造成“闪蒸”破坏。
从整体速度和易出现破坏的端盖底部的速度局部放大图来看，流体在盲长的底部依然是紊乱的流态，同样取点观测，漩涡边缘的速度在0.15m/s左右.流体主要在底部打旋，只有很少的一部分返流到上部。 整体的湍流强度和易出现破坏的端盖底部的湍流强度的局部放大图可知，在端盖底部依然存在很大的湍流，取底部涡流边缘的若干点，查值在150%-200%之间。
从上面的结果可知，在底部加盲长的方案，不能有效地缓解底部出现严重涡流的现象，无法解决端盖“闪蒸”破坏的工程问题。
4.2 圆角弯头模型的计算结果及分析
从流线图来看，流体在弯管处沿着壁部平滑的过渡到直管段，形成比较稳定的流态。在直管段壁部存在非常小的涡流现象。
从速度和湍流强度图来看，速度在拐弯处比较平稳，仅有很少的湍流现象存在，分别取点观测，在拐弯处的速度稳定在5m/s左右。湍流强度在10%-30%。通过上面的分析可知，采用圆角弯头的方案，能够有效地解决上述的工程问题。
从数值模拟结果知道饱和水经过阀门节流后在阀门喉部产生最高流速，通过降压汽化，在超临界压力比条件下，在极短时间内饱和水迅速汽化，瞬间达到蒸汽干度30%以上，这种降压相变又处在热力学不平衡状态，使得气液两相在管内产生非常剧烈扰动，产生极高流速（超过100m/s）。另外，阀门内90度转弯使得无论是单相液体还是气液两相流体都表现出非轴对称，非均匀流速分布。
五．结论
通过上面的分析对比，可以对阀门出口的管道布置提出一些有效地设计理论：
（1） 在阀门管道设计布置时，应该按照管道布置原则，在出口处应该使管道加长到管径的7-10倍，这样才能满足流体在转弯时，有一个相对稳定的流态。否则就会出现拐角处流态紊乱，涡流严重，汽蚀破坏强烈。
（2）在不能满足可以加长管长到7-10倍管径的工况时，可以采用圆头弯管的结构，可以有效地改善流体的特性，使流体在转弯处稳定的过渡到稳流状态。从而使阀门稳定正常的工作。
（3） 对于急转弯工况处，不能盲目的采用简单在端盖底部加盲长的方式来解决端盖底部汽蚀破坏的问题。
调节阀的流场模拟分析结果与工程实践中的实验结果相吻合。表明CFD在调节阀流场分析的合理性，可以通过模拟不同的管道方案，分析得到对应的流线图、速度图和湍流强度图，对比分析确定合理的设计方案。与实验相比，大大的缩短了改进设计周期，降低了实验成本。
六．参考文献
1夏泰淳.工程流体力学[M].上海：上海交通大学出版社，2006
2 王瑞金，张凯，王刚.Fluent技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社，2007
3 徐宏海，杨丽，詹宁.基于Fluent的调节阀内部流场数值模拟[j].机械设计与制造,2009(8):(214-217)