座人非定常复杂流动诱发的调节阀不稳定性研究综

非定常复杂流动诱发的调节阀不稳定性研究综述

Analysis of Control Valve Instability Induced by Unsteady Sophisticated fluid flowTu Shan et al By making three-dimensional visible experiments of several typical control valves using PIV technology and corresponding numerical simulation,the unsteady flow characteristic and mechanism are grasped The valve stability and thermal efficiency is improved by eliminating and decreasing the unsteady flow so as to modifying valve profiles.

Keywords:control valve,sophisticated fluid flow,stability,oscillation,flow vision,measurement 1 前言 调节阀是流体机械(包括电力机械、化工机械、流体动力机械等)中控制耳边只有机器作业的声音通流能力的关键部件，它的工作性能、安全性与整个装置的工作性能、效率、可靠性密切相关。影响其工作性能的因素很多，所以至今各行业纤维增强低碱度水泥建筑平板JC/T626⑴996中由调节阀引起的各种事故时有发生。据统计，主要是调节阀在某些工况下发生严重的振动问题，甚至引起阀杆断裂，影响机组安全平稳地运行［1］。图1 调节阀结构 调节阀可以满足在高频、低幅、高循环环境条件下服役金属材料的疲劳性能研究结构复杂，其流道为双喉喷管，如图1所示。现有研究表明，由阀碟和阀座形成的第一段喷管中，在压比较小时会出现激波和脱流现象；轴对称系统的不稳定性将引起气流的强烈旋转；由阀座形成的第二段喷管也是一个不稳定因素，扩张角过大时会出现脱流和不稳定流动。调节阀内部呈现出复杂的流态分布和变化规律，是典型的非定常复杂内流问题，目前尚不能建立相应的数学模型。因此这方面的科研工作必须以试验为主，有必要建立相应的试验台(工质以空气为宜)进行试验［2］。

国内由于各种原因对流体诱发调节阀振动的问题缺乏研究和试验。国外利用纹影技术进行过二维轴对称模型的可视化实验研究及三元模型试验［2］。但是实际阀门由于流态变化诱发振动的流场并没有显示出来，引起振动的原因没有完全搞清楚，主要是缺乏可靠、有效的测试手段。

流动显示是实验流体力学的一个重要组成部分，它的主要任务是把流体的某些性质加以直观表示，以便对流动获得全面的认识，因而成为实验流体力学中一个长盛不衰的课题。PIV技术就是在流动显示基础上，利用图形图象处理技术的类似做法发展起来的一种新的流动测量技术［3、4］。粒子成象测速法PIV(Particle Image Velocimetry)可用于测量流场各截面上的瞬态速度矢量场。它综合了单点测量技术和流动显示测量技术的优点，克服了两种测量技术的弱点而形成的，既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图象。这正是我们研究非定常流动所必须的测试手段。采用PIV等先进的实验技术手段进行三元可视化实验与相应的理论研究，更完全地掌握阀门非定常流动的特点和不稳定的机理，以便从根本上消除或减少阀体内不稳定流动的产生根源，提出改进阀门和阀座的优化型线，提高阀门的可靠性和经济性。该研究既具有十分重要的科学意义，又具有重大的经济价值。 2 国内外研究现状 2.1 国内研究现状 早在60年代，我国进行过一些中压和高压汽轮机调节阀的气动试验，不过试验的目的在于得到调节阀的流量、提升力等随升另外程—压比的变化特性。在此期间，还对引进的调节阀型线作过一些改进［5］。当时由于缺乏测试手段，这些试验并未涉及阀门稳定性的问题。直至90年代，利用简单的试验装置，在核电机组上进行过消声罩调节阀的试验与分析研究［6］。 2.2 国外研究现状 国外不少厂商在70年代后期开展了调节阀流体振动方面的试验研究，如前苏联、法国、日本等研究单位与公司。起初是二元模型纹影仪流谱法，揭示了不同升程及压比时阀内流谱和汽道内激波的位置及变化过程；在小升程、小压比时为高速自由射流，汇集于阀碟下方引起高频振动和噪声；当升程和压比继续增大时，自由射流转变为附着流，由于流型改变和附着表面的变化而呈现不稳定流动，引起几百赫芝的大振幅低频振动。以后发展的三元模型试验，测量阀碟与阀座个别点处压力变动以及阀碟三个方向的加速度值。其方法是在阀碟表面嵌入微型压力传感器与加速度计，通过沿全部表面的积分得到作用于阀碟上的脉动力。

2.2.1 前苏联的研究工作［7］

前苏联以莫斯科动力学院为代表，对调节阀的可靠性和阻力等问题进行了理论分析和试验研究。以球型阀为例，在阀碟和阀座表面上进行了钻孔取压试验。阀门在全升程时，表面压力变化就很剧烈；部分开启时的流动图象更为复杂。为保证阀碟上的稳定绕流条件，曾采取了各种措施，如在