概述
V型调节球阀作为球阀的一种，集结构简单、密封严密、调节范围广且使用寿命长等优点于一身，在流量系数较大和较小的情况下均具有良好性能，常适用于节流与调节要求较高的场合，在管道输送、水利水电、制药、核电等领域广泛使用。然而，随着当下阀门工况的日益严苛，V型调节球阀在高压差、大流量使用时，极易诱发空化，空化不仅侵蚀阀门及管道，还会引发剧烈的振动和噪声，严重危害了管路系统的安全性与稳定性。因此研究V型调节球阀空化特性并进行结构优化设计以抑制其发生，对于提升阀门及管路系统的可靠性具有重要意义。
针对阀门空化，已有学者进行系统的空化特性研究。Wu等通过CFD对溢流阀进行数值模拟和研究，发现气蚀主要受阀口处射流影响，高速射流越贴近阀内壁，气蚀越容易发生。Zhang等通过改进的Schnerr-Sauer模型对蝶阀空化的动态演变过程进行研究，发现空化产生后会向下游移动，并加剧了湍流和能量耗散。王维伟针对蝶阀空化流场进行研究，发现空泡存在会进一步导致流体湍流程度增加，加剧流场复杂程度；而随着开度的减小，空化现象会减弱。毛伟通过研究空化数在不同开度下的变化，发现V型调节球阀在小于20°和大于80°时易发生空化，且空化集中于阀芯入口处与出口处。为抑制空化，学者们提出了各种解决手段，包括调整工况参数、改变现有结构参数或增加额外的压降结构等。王佳琪等通过优化V型调节球阀阀芯锥角以减小冲蚀磨损，发现较大锥角的阀芯结构使得阀内最低压力增大，能减少空化的发生。隋帆等设计了一种多级降压外层套筒与笼式阀座，实现调节阀内流场逐级减压，以减少空化。孟祥瑞发现湍动能、速度及压力波动降低会导致振动噪声降低，多级减压结构有助于阀内流体静压合理分配，更能够降低空化发生概率。刘威威通过设计仿生引流孔，以阀芯头部空化强度为优化目标，基于遗传算法开展了多参数优化，得到最优结构参数，并验证了其有效性。Li通过对球阀的数值模拟发现增加出口压力、降低工作温度或增加阀笼安装角度可以抑制阀内空化。目前，对于V型球阀的阀内空化成因研究不够深入，且结构优化主要停留在阀芯结构参数改进，针对V型调节球阀增加多级减压结构设计的研究暂缺。因此，本文通过多相流仿真技术，探究多级减压结构对V型调节球阀阀内空化抑制作用的有效性，为进一步的深入优化与实际工程应用提供一定参考价值。
数值计算模型
2.1 V型调节球阀结构
图1为DN500V型调节球阀的结构组成，主要由阀体、阀座、V型阀芯、阀杆、调整垫圈等部件构成。
1.压圈 2.V型阀芯 3.调整垫圈 4.后盖 5.阀杆 6.阀体 7.固定轴
图1 DN500V型调节球阀结构图
2.2 多层孔板减压结构V型阀芯
为抑制V型调节球阀阀内空化，减小压力突变程度，本文在V型球芯上设计了三层节流孔板的多级减压结构。由于小开度时，V型球阀更易发生空化，因此靠近加强筋的内侧孔板面积更大，在小开度时，此块孔板作为一级减压，使射流能量有效减弱。
(a)等轴测图
(b)正视图
图2 多层孔板减压结构V型阀芯
2.3 多相流模型
基于均质化流动假设的空化模型通常用于求解阀门中发生空化时的流动与空化特性。阀门在发生空化时，并没有明显的气液交界面，阀门中的液相与空化产生的蒸汽视为单一混合相，故本文使用mixture多相流模型。混合相的密度和粘度的计算方法如下所示：
（1）
（2）
（3）
式中 ——蒸汽相体积分数
——液相体积分数
蒸汽相和液相之间的质量传递方程如公式（4）所示。
（4）
在本文中，采用由Zwart等提出的基于均值流假设的空化模型，该模型中由蒸发和冷凝导致的质量传递表达式如下所示：
（5）
（6）
式中 R——气泡半径
αnuc——成核点体积分数
Fp——冷凝系数
Fd——蒸发系数
且存在R=10-6 m，αnuc=5×10-4，Fp=50，Fd=0.01。
2.4 计算模型设置
湍流模型的选择与边界条件参数的确认是决定仿真计算结果准确性的重要因素。本文仿真的介质为常温液态水，入口选择2 MPa的压力入口边界，采用UDF固定入口静压，出口选择0.8 MPa的压力出口边界，通过固定压差下的仿真，分析对比带有节流孔板和不带有节流孔板的V型调节球阀阀内的空化特性与流动特性。由于V型调节球阀球芯处存在高速射流，因此采用Realizable k-ε湍流模型；而多相流仿真较难收敛，因此采用Coupled算法便于计算收敛。
数值模拟结果与分析
3.1 V型调节球阀流动特性分析
本文选取V型调节球阀45 °开度工况下的流场进行分析。由图3可知，无孔板V型调节球阀阀内流体在经过V型阀芯后，流通面积大幅减小，阀芯后方形成高速射流，射流紧贴阀后壁面流动，与阀后管道连接处的射流流体局部速度较其他区域略大。设置多层节流孔板的V型调节球阀阀内流体在经过V型阀芯后，同样受流通面积减小的影响，速度增大，但阀芯后方即为多层节流孔板；因此阀芯后的射流立刻被节流孔板截断并分离，其中靠近进口的两块节流孔板引导部分射流沿着孔板平面流动，且减缓了其流动速度。残余的射流在阀后管道连接处仍出现局部速度增大的现象。通过三层节流孔板的设置，射流区域较未设置孔板时明显减小，且流动速度减小。未设置节流孔板的V型调节球阀在45 °开度时的流量系数Cv为2148，而设置了多层节流孔板的V型调节球阀在45 °开度时的流量系数Cv为1962，流通能力较未设置孔板时下降了8.7%，可知在该开度下，多层孔板的设置对V型调节球阀流通能力的影响不大。
(a)无孔板
(b)含多层孔板
图3 V型调节球阀对称截面速度云图
由图4可知，对于未设置节流孔板的V型调节球阀，阀门的压降基本集中于阀芯处，阀芯后流场压力基本保持不变，这对于阀门结构是不利的，因为集中于阀芯处的大压降会导致阀芯受力过大，长期使用使得阀芯产生变形，影响结构强度并危及使用安全；且局部大压降处易出现负压区，进而诱发空化，导致严重振动噪声的产生。而观察设置了多层节流孔板的V型调节球阀，其阀芯处同样出现较大压降，但压力并未一次性下降至阀内低压水平，流体在阀芯的节流减压作用后，通过三层节流孔板，进一步降低压力，其中第一块节流孔板的减压效果最为明显。
(a)无孔板
(b)含多层孔板
图4 V型调节球阀对称截面压力云图
此外，可以观察到阀门的入口阀口和出口阀口处存在负压区域，这是流体流通截面积突变而导致的，从无孔板和含多层孔板V型调节球阀负压区域体积的对比可以发现，设置了多层孔板之后，虽然迎流的第一块和第二块节流孔板处出现了负压区，但是其体积极小，且若气泡发生脱落也无法向阀后发展，因为设置有第三块节流孔板可以进行有效拦截；与此同时，含多层孔板的V型调节球阀入口阀口和出口阀口处的负压区域显著减小，阀内压力分布不均匀程度减弱。
3.2 V型调节球阀空化特性分析
图5为V型调节球阀阀内气相体积分数分布云图，由图可知，不论是否设置多层节流孔板，空化分布的区域都是一致的，位于阀门入口阀口和出口阀口处，这与压力云图显示的负压区域相吻合。出口阀口处与入口阀口处相比，气相分布范围更大，气相体积分数更大，由于出口阀口后为管道，气泡的脱落与发展不会受到任何结构的阻碍，因此阀后的气相更易引发振动和噪声。无孔板的V型调节球阀出口阀口处空化较为剧烈，气相分布的体积较大，且有部分区域完全由气相占据。由含多层节流孔板的V型调节球阀的阀内气相体积分数分布对比可以发现，阀门入口阀口处和出口阀口处的空化区域相较于无孔板而言均大幅减小，且气相体积分数最大处不超过50%；孔板处出现的空化区域极小，气相体积分数也较低，对于阀门整体而言，其影响可以忽略。因此多层节流孔板的设置对于V型调节球阀的空化有显著的抑制作用，进而能够减小阀门的振动噪声。
(a)无孔板
(b)含多层孔板
图5 V型调节球阀对称截面气相体积分数云图
结语
本文以V型调节球阀为研究对象，以45 °开度工况为例，采用多相流模型对无孔板和含多层孔板的V型调节球阀流场进行仿真，获取了V型调节球阀阀内的速度分布、压力分布和气相体积分布情况。通过对V型调节球阀流动特性和空化特性的结合分析，发现V型调节球阀的空化更易在阀门入口阀口和阀门出口阀口处发生，对应于流通截面积出现较为剧烈变化的区域。通过速度和压力云图分析，流通截面积突变，尤其是贴壁射流壁面处的结构发生较大改变时，会导致流体流动状态发生剧烈变化，包括流体的流向与流速；当局部流速增长较快，数值较大时，所形成的低压区压力可下降至饱和蒸汽压力以下，进而诱发空化；而对于本文的V型调节球阀而言，空化产生的区域分布于射流侧方，因此减缓射流速度或引导射流分流可以抑制阀内空化产生。本文通过设置多层减压孔板，将单股高速射流分为三股异向低速射流，多级减压可减缓压力减小的速度，有效缩小低压区域，并且显著减小阀内的气相体积分数，对空化有明显抑制作用，但对V型调节球阀流通能力的削减有限。本文关于V型调节球阀在无孔板和含多层孔板情况下的流动及空化特性的分析，对进一步深入研究V型调节球阀空化形成机理具有一定参考价值，并有实际工程应用价值。
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