图3网格的无关性验证

1. 2网格划分
       网格数量确定为1.31x1护个，对关键流动区域进行网格加密，加密部分如图4所示。然后，对所有网格进行光顺操作，以提升质量。网格质量大于0. 3，可满足计算要求。

图4关键部分网格加密图

2计算模型选择
2. 1多相流模型
      空化属于多相流，综合考量计算时间和精度要求，选择Mixture多相流模型。该模型在处理高温、高压以及可压缩性气、汽、液多相流动复杂题上具备较好的能力，其方程组[A}]如(l)一(}3)所示，即:

其中，式(l)为混合相的连续方程，式(2}为混合相的动量方程，式(3)为第二相体积分数方程。式中，P 、为混合相密度，v、为质量平均速度，F为质量力，拜11、为混合相粘度，va,为第二相的漂移速度，va,为相对速度。
2. 2湍流模型
     由于在调节阀节流部分压力梯度较大且考虑到由于流道不规则会产生一些漩涡，故选择Realizablek湍流模型。该模型能较好的求解各种不同类型的流动[D。一“」。k一二湍流模型包含了k和。psilo。两个输运方程，分别描述了k(湍流脉动动能)和二(湍流耗散率)的输运过程(也就是随时间和空间的变化)，方程如(4)和(5)所示:

式(4)一(5}中，P为密度，k为湍流脉动动能，二为湍流耗散率，拜为动力粘度，拜，为涡流粘度，o-、和o-二分别为k和二的湍流普朗特数，一般分别取1和1.2o u，和，，为速度和方向张量，‘、表示由平均速度梯度而产生的湍动能，G,。表示由浮力产生的湍动能，Y、表示可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的贡献，S、和S二为自定义源项，v为运动粘度，S为平均应变张量模量C,, Cz, C,二以及几二都为常数。
2. 3空化模型
     软件FLUENT中包含了3种空化模型，分别为全空化模型、Zwart}erber}elamri空化模型和Schnerr Sauer空化模型。3种空化模型都包含相同的空化输运方程和气泡动力学方程，主要的区别在于方程后面的两个自由项表达式不同，这两个自由项是经过大量实验总结的经验公式，分别描述了蒸汽产生和凝结。考虑到空化与湍流同时发生并产生相互作用，而且还要考虑是否与先前的多相流模型兼容，故选择Schnerr Sauer空化模型[}zao。该模型表达式如(6)和(7)所示，即:

式中，下标的源项，R部压力。当P、V表示气相，a为气相体积分数为与气体凝结质量有关的源项，，Pv RRP1为气相密度，为汽泡半径，V、为气相速度P，为液体密度，，R。为与气体生成质量相关尸。为汽泡表面压力，P为局)尸时，有:

     该模型的优点在于与所有湍流模型都能够较好地兼容搭配，也适用于Mixture多相流模型，而且收敛速度快，鲁棒性良好。
3原始模型计算结果分析
      原始调节阀模型的阀芯密封面与垂直方向的夹角a=350}L=6 mm，调节阀开度为10 %，也即阀芯阀座密封面之间的垂直距离为2. 5 mm，这是该型调节阀的一种常用工况。模型的入口边界条件设为压力入口，压力大小3 MPa。出口边界条件设为压力出口，大小为0. 2 MPa。采用SIMPLE算法，二阶迎风格式，经过2 000步的计算达到收敛。阀芯处压力体积云图如图5 (a)所示，阀芯表面气相体积云图如图5 (b)所示。
      由图5  (a)可知，压力最低点在阀座与阀芯的拐角处，大小为3 540 Pa，低于常温水的饱和蒸汽压，故而会产生空化。由图5 fib)可知，空化发生在阀芯上侧拐角处并向上侧发展，该部分与图5 }a}的压力最低处吻合。空化泡湮灭于阀芯拐角上侧压力增高处CJn},图5 (b) ]。空泡的溃灭所产生的高温高压会对阀芯表面造成巨大破坏，从而降低其使用寿命。根据上述分析可知，该组原始阀芯参数(a=350}L=6 mm)会造成大量空泡。因此，调整这两个参数是下一步进行优化的重点。

图 5初始压力及气相体积云图

4模型优化及其结果分析
4. 1阀芯及阀座结构优化
      参考各类文献中的优化思路并对阀芯参数经过多次改进[[5 h]，试算之后找到了一组优化结果较好的参数。优化后的阀芯结构为a=500}L=5.5 mm，并将阀芯密封面上下两侧拐角处进行倒圆角，上侧拐角处圆角半径:} = 1 mm，下侧拐角处圆角半径r2=1.5 mm。然后将改进后的零件重新装配并导入前处理软件ICEM中再次作前处理，方法与前述相同。
4. 2优化后模型的计算结果分析
      由于优化前后的工况和边界条件均相同，故计算模型也不变。经过2 500步计算达到收敛。优化后压力及气相体积云图如图6所示。

      为了弄清阀芯结构的改变是否会对该型调节阀的流量特性造成影响，分别计算原始模型及优化后模型的质量流量。经过计算得到原始模型的质量流量为6. 83 kg / s，改进后的模型质量流量为6.75 kg/s}二者相差很小，故阀芯阀座结构参数的改进对调节阀的流量特性影响很小。
4. 3优化模型的验证
     根据王鹏飞[t}}对液压锥阀的仿真结果，适当增大阀芯密封面与垂直方向的夹角a对阀芯表面的空化状况确有抑制效果。另外，可通过如下实验方法验证模拟结果:在调节阀阀体上开一个透明玻璃窗口，将该模型放在阀门试验台上，在给定工况下，利用PIV技术将高速摄像机固定在透明窗口处测量阀芯密封面处示踪粒子的瞬态流速，以此为依据计算出阀芯密封面不同位置的空化数，并比较不同阀芯参
数下空化数的大小即可验证仿真结果。
5结论
     ①利用CFD软件FLUENT对某型调节阀进行流场分析，采用Mixture多相流模型、Realizable k一二湍流模型和Schnerr Sauer空化模型计算结果可以发现原始模型阀芯表面空化状况较严重。
    ②对阀芯和阀座参数进行优化，数次增加阀芯密封面与垂直方向夹角a并改变阀芯密封面的长度L。多次试算后发现，当:r₁=1 mm}r₂=1.5 mm}a=50“且L=5. 5 mm时优化效果较好。这种优化思路为该型调节阀设计提供一定的借鉴意义。
    ③优化后的模型计算结果表明，阀芯表面低压区域明显减小，相应的空化域面积减小，阀芯表面空化泡总量较优化前减少60%以上，优化取得了预期效果。空化状况的改善将会延长该型调节阀的使用寿命并抑制其振动噪声状况。