1.3 流程閥門研究現狀

流程閥門的內部流動性能是其調控特性的內在表現，內部流動性能的變化將直接影響閥門的工作性能及工作可靠性。近幾十年來國內外研究人員對流程閥門的流體動力學特性也開展了較多的研究工作，致力于提高閥門的使用性能。這些研究中，較多針對單相介質，并取得了一些研究成果。對于輸送含固多相介質的閥門研究相對較少。下面將從單相和兩相兩個方面對國內外研究現狀進行闡述和總結。

1.3.1 單相工況

對于流動介質為單相液體或氣體的閥門，國內外學者分別從穩態和瞬態角度對其內部流動開展了大量的研究。

1．穩態分析

Chen等人^[6，7]采用有限元方法編譯了一套程序對帶有圓盤閥的管道內部穩態流動性能進行二維數值模擬，分析了雷諾數、閥芯的位置以及閥芯的厚度等因素對流場內渦分布、壓力分布、速度分布和湍流強度等參數的影響。Francis等人^[8，9]采用有限元軟件FIDAP對一個氣體減壓閥內部軸對稱可壓縮流場進行分析，同時開展實驗對閥芯下表面的壓力分布進行測量，研究了不同閥芯抬升高度對閥芯下表面壓力分布及作用在閥芯上的氣動力的影響。Moujaes^[10]采用STAR-CD軟件對3種開度的帶法蘭球閥進行三維數值模擬，研究不同進口雷諾數對流動損失系數及流量系數的影響。Sibilla^[11]采用數值模擬技術對噴嘴止回閥內部流動特性進行研究。通過對不同湍流模型的穩態數值模擬結果和實驗結果進行對比分析，認為RNG k-ε湍流模型能夠更加精確地描述閥門內部的流動情況。An等人^[12]采用CFD-ACE軟件對LNG船舶系統中使用的防空化調節閥進行穩態數值模擬和改進優化，分別對帶楔形閥芯的傳統調節閥和帶防空化節流孔閥芯的新型調節閥開展研究，分析閥門進出口壓降，以及汽蝕和流量系數等閥門流動特性參數。Lee^[13]采用CFD軟件對圓盤止回閥的壓力損失和流量系數進行計算，進而優化了支承梁的長度，并分析了不同流量下最優化結構的水頭損失。

Morris等人^[14]對流動介質為可壓縮空氣的蝶閥內部流動特性開展風洞實驗研究，采用可視化技術拍攝流場的紋影圖像，同時提取閥體壁面和閥芯表面的壓力分布信息。實驗研究了兩種閥芯結構以及不同開啟角度和工作壓力比對流動特性的影響。Yi等人^[15]采用CFD-FEM優化方法對止回式蝶閥的結構進行優化設計。通過流場分析確定旋轉軸的高度，通過水錘分析獲得作用在閥芯上的水錘壓力，基于流場分析和水錘分析的結果，運用拓撲學優化和形狀優化兩種固體結構優化方式改進閥芯的結構。Leutwyler等人^[16-18]采用不同湍流模型對中間開度的對稱型蝶閥進行大量二維和三維數值模擬，分別研究不同氣體壓縮狀態和不同氣體流速對閥門內部氣體流場、蝶板受力以及氣動扭矩等閥門性能參數的影響。Song等人^[19，20]采用CFD-FEM流固耦合計算技術結合正交實驗與Kriging模型對一個傳統蝶閥進行數值模擬優化分析；采用CFX軟件對一個大型蝶閥在不同開度下的內部流場特性進行分析，并基于流場分析結果對閥門結構開展應力應變特性研究。

Chern等人^[21]采用顆粒追蹤方法對一個透明球閥進行流場可視化實驗研究，重點分析閥門開度和進口速度對閥門內部以及閥后流動形態、空化性能等流動特征的影響。Ferrari等人^[22]采用高速攝像技術對球形閥門在不同開度下的空化性能進行實驗研究，并基于實驗與數值模擬技術，對流體作用在閥芯上的徑向力、軸向力以及壓力分布進行分析。Palau-Salvador等人^[23]采用CFD數值模擬和實驗相結合的方式對調節閥開展研究，分析閥門閥芯出口結構對其內部的湍流性能和空化性能的影響。

袁新明等人^[24，25]采用粒子成像流速儀（PIV）對彎型截止閥對稱面模型進行了流場顯示研究，并采用RNGk-ε湍流模型分別對彎型進口和斜進口截止閥對稱面流場開展數值模擬研究，對比分析了彎型進口和斜進口截止閥流場特性。何世權等^[26]采用CFD方法對角式調節閥進行了三維數值模擬，獲得了其流量特性曲線、流道內壓力分布和速度場分布等信息，并通過分析表明流閉型流向可提高閥門流量系數。張偉政^[27]以套筒調節閥為對象，以數值模擬為研究方法，以降低能量損失和湍流耗散率為目標，對閥門內部能量損失嚴重的部位進行優化設計。馮衛民等^[28]采用CFD方法對偏心球閥的內部流場進行了分析，分析了不同開度下偏心球閥內部流場結構及閥門流量特性、汽蝕特性和壓力恢復系數等，并指出偏心球閥的閥體內部在小開度情況下，存在著較大尺度的三維流動。

2．瞬態分析

Kioni等人^[29]提出了一個二維軸對稱管道瞬變流動的數值模擬運算算法，并對瞬態關閉工況下閥門內部的速度場和壓力場結構進行了模擬分析。Li等人^[30]將作用在旋轉止回閥閥芯上的水力矩分成靜止水力矩和旋轉水力矩，并通過實驗測量和數值模擬對這兩個分力矩進行分析研究。Cho等人^[31]通過穩態和非穩態實驗對一個球閥的力平衡性能開展研究，并基于CFD技術對該閥門進行流動分析，進而考察閥芯上下表面的壓力分布和受力狀況。Wang等人^[32]采用CFX軟件對單閥芯蝶閥在開啟過程中的非定常流動進行三維數值模擬，對中間對稱截面的速度分布和壓力分布進行了分析，并考察了流量系數、動態轉矩系數以及拖曳系數等性能參數隨閥門開度的變化規律。Scheffermann等人^[33]采用STAR-CD模擬軟件對水壩鎖緊閥開啟過程進行非定常數值模擬，計算過程通過Hite的物理模型實驗進行驗證。文章研究了不同開啟時間下，閥門下游壓力隨時間的變化規律，并分析了閥門流量系數隨閥門開啟角度的變化規律。Song等人^[34]采用CFX軟件對彈簧壓力安全閥的內部流場性能及動態特性開展非定常CFD數值模擬。

李哲等人^[35]采用動網格技術對固體燃氣發生器調壓閥進行三維數值模擬，分析了閥門內部收斂-擴張結構內的瞬態流動分布及特性參數的波動變化規律，并研究了進口壓力對閥門動態特性的影響。馮衛民等人^[36]以特大口徑水輪機進水球閥為對象，研究動態關閉過程閥門前后壓力及機組流量的變化規律，結果表明二階段關閉能夠有效地降低球閥的最大水擊壓力，并指出球閥內部渦區分布與水擊壓力最大值之間存在內在關聯。錢錦遠等人^[37-39]采用數值模擬的方法對截止閥進行研究，分析討論了結構變化及開啟時間等參數的變化對閥門內部流場結構、閥門空化規律及閥芯受力特性等的影響，并在此基礎上提出閥門的優化措施。崔寶玲等人^[40]采用滑移網格技術分析了閥門啟閉過程中的壓差和流阻特性隨著啟閉時間的變化規律，并分析了閥門內部流場在開啟和關閉過程中的差異性。

可以看出，國內外研究人員從穩態和非穩態等角度對單相介質閥門開展了大量的流體動力學特性研究，分析了閥門的受力特性、流動性能等，并獲得了豐碩的研究成果。但是由于閥門使用領域的多樣化以及閥門種類的多樣化，流程閥門內部流體動力學特性研究還需要進一步深入開展，從而更好地為閥門的設計開發以及應用控制服務。

1.3.2 含固兩相工況

含固兩相是流程閥門在實際使用中常碰到的工況條件，包括氣固兩相和液固兩相。由于介質中含有顆粒，流程閥門內部極易磨損，然而針對流程閥門兩相流體動力學特性以及顆粒運動所導致的磨損特性研究還是普遍偏少。而當閥門處于固定開度下時，其內部流道近似為一種曲折的管道結構，因此含固兩相工況下曲折管道的研究成果也可以為閥門的研究提供參考。同時，國內外研究人員針對顆粒與壁面的碰撞磨損也開展了大量的研究工作，并提出了一系列的磨損計算模型，為含固兩相工況下閥門流道的磨損數值計算提供了理論支撐。下面將對顆粒與壁面的碰撞磨損研究、閥門內部兩相流動及磨損研究，以及曲折管道內兩相流動及磨損研究三個方面的研究現狀進行分析。

1．顆粒與壁面的碰撞磨損研究

顆粒與壁面的碰撞磨損研究主要是通過理論和實驗分析碰撞磨損機理，并提出相對應的碰撞磨損模型。由于顆粒屬性、壁面材料屬性、顆粒運動參數以及研究分析方法的差異，磨損模型多種多樣。早在1995年，Meng和Ludema^[41]就通過查閱大量文獻，歸納總結了較為合理、較為完善的28種磨損模型，共涉及33個影響磨損的變量。平均每個模型包含5個不同的變量值，且不存在一個模型將所有影響磨損的因素都涵蓋。隨著磨損研究的發展，近20年來研究人員也提出了一些新的磨損模型。

目前，已存在的磨損模型主要可以分為兩大類：①基于理論機理假設、分析推導和實驗研究相結合的半經驗磨損模型；②根據實驗分析所獲得的經驗磨損模型。其中根據磨損材料性質的不同，半經驗磨損模型又可以分為塑性材料磨損模型和脆性材料磨損模型。由于課題研究中使用的皆為塑性材料，因此下面分別對具有代表性的塑性材料磨損模型進行介紹。

（1）半經驗磨損模型

塑性材料的磨損過程極其復雜，該過程中包含了顆粒對表面的切削作用、材料表面的塑性變形、顆粒破碎的二次沖蝕磨損等不同的磨損破壞部分，因此目前對塑性材料的磨損機理并未有一個統一的論斷。但是在塑性材料的磨損研究中，為了深入了解磨損的本質，研究人員基于一些磨損機理假設推導出了大量磨損計算模型。

Finnie^[42]基于塑性材料的微切削原理提出了塑性材料磨損的首個計算模型，對壁面材料損失的體積進行計算。隨后，他結合實驗結果^[43]，對該模型進行了改進^[43]。具體公式如下：

式中 E_V——表面材料損失的體積；

m_p——單個顆粒質量；

σ_f——流動應力；

U_p——顆粒碰撞速度；

h_c——切削深度；

θ₁——碰撞角度。

雖然模型的預測結果與一些實驗結果相吻合，但是該模型還是存在較大的不足之處。它不適用于顆粒碰撞角度為90°的工況，低估了大角度碰撞時材料的磨損，高估了小角度碰撞時材料的磨損。同時，在該模型中Finnie將顆粒速度的指數值預測為2，這與很多實驗結果不是很一致。

Bitter^{[44，45]}基于顆粒沖蝕的微切削機理和變形磨損理論，提出了一種適合所有碰撞角度的磨損模型。他認為材料的磨損主要由切削磨損和變形磨損共同作用導致，當碰撞角度較小時，切削磨損占主導，而當碰撞角度較大時，變形磨損起決定作用。雖然他的模型與實驗結果符合很好，但是由于公式的復雜性限制了其使用。

變形磨損：

切削磨損：

式中 M_p——顆?？傎|量；

ξ₁——變形磨損因子；

ξ₂——切削磨損因子；

K、K₁、K₂和K₃——常數。

隨后，Neilson等人^[46]通過開展一系列氣固兩相流實驗對該模型進行了簡化，提高了其實用性。簡化模型如下：

式中 E_total——總磨損量；

u_p1——碰撞前顆粒速度的法向分量；

v_p1——碰撞前顆粒速度的切向分量；

θ_a ——v_p1為0時的碰撞角度。

Sheldon等人^[47]基于單個顆粒碰撞的壓痕損傷理論和能量平衡理論，提出了一個包含變形磨損和切削磨損的磨損模型，如下所示：

式中 d_p——顆粒直徑；

ρ_p——顆粒密度；

HV_w——目標材料的維氏硬度。

Tilly^[48]基于高速攝影技術和電子顯微技術對顆粒的碰撞磨損開展研究，提出了雙階段碰撞磨損理論。第一階段為顆粒碰撞材料表面并對其產生切削磨損；第二階段為第一階段碰撞過程中顆粒破裂出的碎片對材料表面造成的二次碰撞磨損。材料表面的總磨損量為兩個階段磨損之和。如

式中 E₁，E₂——第一階段和第二階段的碰撞磨損量；

，——第一階段和第二階段的磨損最大值；

U_r——相對速度；

U_p0——起始碰撞速度；

d_p0——產生磨損的最小顆粒直徑；

F_dv——一定條件下的顆粒破裂程度。

Huchings等人^[49]基于薄片式磨損機理提出了球形顆粒法向碰撞的磨損模型。該模型引入臨界塑性應變來判斷材料的磨損程度，具體如下：

式中 ER——單個顆粒的碰撞磨損率（表面材料磨損量/碰撞顆粒質量）；

a——塑性變形壓痕的體積分數；

ρ_w——目標材料的密度；

σ_pf——塑性流動應力常量；

δ_c——臨界應變；

HB_w——目標材料的布氏硬度。

（2）經驗磨損模型

由于磨損機理的復雜性，越來越多的研究人員致力于從實驗中總結歸納出顆粒碰撞的磨損模型，而不是從機理出發對磨損的細節進行分析。

Tabakoff等人^[50]開展了大量煤灰顆粒對金屬壁面的碰撞磨損實驗，提出了包含碰撞速度和角度等參數的磨損經驗方程，如下所示：

式中 θ_b——發生最大磨損時的碰撞角度；

C——常數（當θ₁≤3θ_b時，值為1；當θ₁＞3θ_b時，值為0）。

美國磨損與腐蝕研究中心（E/CRC）學者^[51]通過對碳鋼和鋁的大量磨損測試，提出了包括碰撞速度、碰撞角度、材料的布氏硬度以及顆粒的形狀等多參數的磨損方程。該磨損方程是目前使用最為廣泛的磨損模型之一，很多國內外研究者都采用它來計算顆粒對壁面的磨損。

式中 C——常數，取決于目標材料的布氏硬度，表達式為：

F_s——顆粒形狀因子，當顆粒為圓形時取0.2，半圓形時取0.5，尖銳形時取1；

θ₀，a₁，a₂，a₃，a₄，a₅和w——磨損公式的經驗常數，具體數值見表1-1。

該中心人員^[52，53]在上述磨損模型的基礎上，通過實驗分析對碰撞角度函數以及速度指數進行了修改（改為2.41），以適用于鉻鎳鐵合金718等材料的磨損預測。

挪威商立恩威驗證公司（DNV）的研究人員^[54]基于一系列的實驗和一個磨損模型基本形式提出了一個適合于多種常用材料的磨損模型，見式（1-23）和式（1-24）。

式中 E_M——目標材料損失的質量；

K和n——常數，取決于表面材料，見表1-2；

a_i——經驗參數，見表1-3。

Oka等人^{[55，56]}以大量磨損實驗和幾個重要參數（顆粒的碰撞速度、碰撞角度、目標材料硬度、顆粒粒性）為基礎，也提出了一個磨損預測方程用于鋁、銅、碳鋼等材料的磨損分析。

式中 ER_V——體積磨損率（表面材料磨損體積/碰撞顆粒質量）；

ER_V（90）——碰撞角度為90°時的體積磨損率；

n₁和n₂——取決于顆粒材料的硬度和其他顆粒碰撞條件，n₁，，b₁和b₂值見表1-4；

K，k₁，k₃——由顆粒的特性決定，具體參數值見表1-5；

k₂——由材料的硬度和特性決定，具體參數值見表1-5；

U₀——參考速度，具體參數值見表1-5；

d₀——參考顆粒直徑，具體參數值見表1-5；

a₁和a₂——表面材料的載荷松弛系數。

在磨損模型的研究領域，還有很多研究者分別針對影響磨損的各個因素開展大量的實驗研究。Smeltzer^{[57，58]}、Laitone^[59，60]和Burnet^[61]等人針對碰撞磨損與顆粒速度之間的指數關系值進行了研究分析；Sheldon^[62]分析了不同目標材料下，顆粒的碰撞角度與碰撞磨損之間的關系；Finnie^[63]、Levy^[64]和Foley^[65]等人研究了目標材料對顆粒碰撞磨損的影響；Liebhard^[66]、Finnie^[67]等人研究了顆粒的屬性等因素對顆粒碰撞磨損的影響。

各磨損模型的對比見表1-6，雖然磨損模型都或多或少地存在一些局限性，但是在實際工業過程設備的磨損研究過程中，合適的磨損模型不僅能夠精確預測磨損信息，同時還能夠減少時間和資源的消耗。

2．閥門內部兩相流動及磨損研究

Tong等人^[68]基于兩相流理論和顆粒動力學理論提出了一種L型閥門的流體動力學模型。該模型能夠基于氣體和顆粒的性質、閥門的結構尺寸以及工況條件求得顆粒流量、氣體壓降、氣體流量等流場信息。Yang等人^[69]采用多分辨率小波變換對L型閥門直管段和水平管段的壓力信號進行實驗分析，研究了充氣速率、充氣位置、氣體速度和顆粒粒徑分布等參數對壓力波動以及兩相流態的影響。Chan^[70]首次采用正電子發射粒子跟蹤技術對L型閥門的流動性能進行實驗研究，分析了閥門下游有無負載對顆粒的運動軌跡及質量流量的影響。

顏海霞^[71]對氣力輸送系統出料閥前后三維管道中的氣固兩相流動進行了數值模擬，研究不同閥門開度、顆粒粒徑及顆粒進入流場位置對顆粒運動軌跡的影響，并獲得了不同閥門開度情況下管道壁面的磨損分布規律。王蓓^[72]通過數值模擬軟件Fluent分析了不同開度、不同流速和不同顆粒大小工況下，調節閥內部攜沙天然氣兩相流動狀態，提出了沖蝕角、流動速度、顆粒大小三個主要因素對調節閥受攜沙天然氣沖蝕的影響規律。林哲等人^[73]對平行雙閘板閘閥內顆粒碰撞所導致的磨損開展了數值計算分析，提出了閥門關鍵密封面磨損預測公式。王國榮等^[74]采用CFD方法對MPD節流閥中液固兩相流湍流流動進行了研究，結果表明，MPD節流閥內壁的沖蝕磨損主要發生在閥芯末端，閥門內壁面磨損主要取決于鉆井液的流速及固體質量流量。朱紅鈞等人^[75]采用數值模擬方法研究了針型閥在氣固兩相工況下的磨損特性，考察了入口速度、閥門開度和閥門口徑、顆粒濃度、顆粒直徑和顆粒相濃度的影響，指出閥芯尖端部位為高磨損區域，且顆粒粒徑對磨損影響顯著。劉波等人^[76]采用數值計算方法對蝶閥內部磨損開展了研究，詳細討論了入口壓力和閥門開啟角度等因素的影響。結果表明，隨著入口壓力的增加，湍流強度和沖蝕磨損都會增加；湍流強度和顆粒沖蝕磨損隨著閥門開度的減小而減小。

Nokleberg等^[77]采用CFD和磨損實驗相結合的方法研究了減壓閥的磨損，結果表明，模擬預測值和實驗值具有很好的一致性。Wallace等人^[78]采用CFD和實驗相結合的方法研究了水泥漿對閥門部件的磨損，研究中分別對閥門結構的簡化模型和原模型（節流閥）的磨損進行了分析，指出數值模擬方法能夠得到合理的磨損分布，但是磨損程度較實驗值小很多。Mazur等人^[79]采用CFD技術對蒸汽輪機的旁通閥內顆粒磨損進行了研究，結果表明，通過改進閥門結構改變了顆粒的軌跡和碰撞角度，能夠使閥門的磨損急劇減小。Wang等人^[80]采用CFD-DPM數值模擬方法對壓力鉆井中的節流閥磨損進行了計算，分析了節流閥內部磨損分布特性，在此基礎上使用響應面方法對閥門結構進行了優化設計，降低了節流閥內部30.2%的磨損量。

3．曲折管道內兩相流動及磨損研究

樊建人等人^[81-84]提出了幾種新型的彎管抗磨結構，并通過開展數值模擬和實驗研究，分析新結構的抗磨機理。蘭惠清等人^[85]提出了一種考慮了氣固兩相混合速度和氣體壓力的磨損模型，開展了不同工況情況下彎管的磨損模擬，對比分析了高壓和低壓工況下顆粒速度對磨損速率的影響規律。林哲等^[86，87]以前后壁面不等高的凹槽結構為研究對象，開展了內部流道磨損數值模擬和實驗研究，考察了高度差及放置傾斜度的變化對凹槽結構后壁面的磨損形貌和最大磨損率的影響。趙永志等人^[88]采用CFD-DEM數值模擬方法對三維彎管氣固兩相流致磨損開展了研究，指出了顆粒體積分數大于1%時應當考慮氣體和顆粒間的雙相耦合效應。

Tolle^[89]等通過大量實驗研究了沙粒速度、顆粒大小以及質量流量對管道部件磨損的影響，并且還分析了管道部件的結構、材料、內涂層對磨損的影響。Mills^[90，91]針對彎管開展了大量的實驗研究，考察了不同工況條件下的磨損分布演化規律。Bourgoyne^[92]分析了沙粒對管道部件磨損失效作用機理，他對比了不同管道部件結構的磨損劇烈程度，同時還研究了流體速度、流體性質以及沙粒的濃度對磨損的作用效果。E/CRC的研究者^[93-98]等采用歐拉-拉格朗日兩相耦合技術，結合CFD磨損預測程序分析計算了180°彎管、90°彎管、三通管、突擴管以及突縮管等結構的磨損情況，并與大量實驗結果進行對比分析。Russell^[99]等人對不同材質的90°直角彎管開展了大量磨損測試，實驗中考察了兩種顆粒濃度和多種流量條件的影響，測試了整體重量損失以及樣品表面的壁面磨損深度。Habib等人^[100]采用CFD方法研究了稀氣固兩相流動對突縮管內磨損的影響，結果表明兩段管道的結合位置磨損最為嚴重，同時也提出了不同粒徑下磨損的臨界速度。Wong等人^[101]采用數值模擬和實驗相結合的方法對豎直放置理想凹槽結構的磨損狀況進行了研究分析，結果表明凹槽下游前緣部分的磨損最為嚴重。Duarte等人^[102]采用了單相耦合、雙相耦合和多相耦合的數值模擬方法對彎管磨損開展研究，指出在低質量流量工況條件下，不可忽略顆粒間碰撞對磨損的影響。

由上述可知，國內外已在磨損機理、閥門及一些曲折流道結構內部含固兩相流動及流致磨損等方面開展了大量的研究工作，并得到了一些有益的結果。但同時也可以看到，針對流程閥門的研究仍然較少，研究對象、研究內容和研究方法等方面都有待于進一步深入拓展，從而更全面地揭示流程閥門在含固兩相工況下的流體動力學特性以及流致磨損機理，進而為流程輸送工程服務。

綜上所述，本書以流程閥門為對象，圍繞單相及含固兩相等不同介質的要求，建立了適宜的流程閥門流體動力學特性及含固兩相流致磨損計算方法，在此基礎上，針對多種流程閥門結構開展了內部流動分析、調控性能預測及流致磨損分析，獲得了大量有價值的成果，為流程閥門的設計以及可靠運行提供了理論和技術支撐。