通海截止阀是海洋装备中的重要部件，主要用于深海作业及舰船的进排水。由于舰船出海周期长达数月而只能在舰船回港时进行拆卸检修，用于舰船的通海阀极有可能在运行过程中发生损坏，将严重影响舰船航行安全。冲刷腐蚀是导致通海阀损坏最常见的原因之一，其形成是由于通海阀在深海工作时，过滤网无法完全过滤掉海水中的沙砾等杂质。当海水流经阀门内壁与阀杆时，处于高速状态，从而导致阀门内壁与阀杆发生冲刷腐蚀。因此，分析影响阀门冲刷腐蚀的各种参数，对减小冲刷腐蚀导致的阀门故障具有重要意义^[1-4]。

由冲蚀理论可知，流动速度、颗粒含量、颗粒直径等参数都会对冲蚀速率有很大影响，而阀门开度则会在很大程度上影响流动速度以及局部位置的颗粒含量。因此，文中将从这4个方面，基于ICEM CFD软件对通海截止阀的流场特性和冲蚀特性进行分析^[5-12]。

1 流动速度的影响分析

将阀门入口速度分别设置为5、10、15和20 m/s并保持其他条件不变，分析阀门流场特性和冲蚀特性。图 1、2分别为不同速度时阀门对称面流线图及阀门总体冲蚀分布图。对比入口速度分别为5 m/s和20 m/s的对称面流线图，流线基本无变化，图中对应处的速率比值基本与其入口速率的比值相近。可以认为，当入口速度在5~20 m/s变化时，入口速率对流向无影响。

如图 3所示，虽然阀门各处的冲蚀速率都有所增加，但阀门冲蚀的分布没有改变。计算不同入口速度时阀门各处冲蚀速率平均值，结果如图 3所示。图中的理想变化则是假设粒子运动轨迹不变，计算出冲蚀速率相对增长率。可以发现，除入口段外，阀门其余部分的冲蚀变化均与理想变化一致，这说明离散相的运动轨迹基本不受入口速度影响。而入口段冲蚀速率变化与其他部分不同，主要有2方面的原因：1)离散相边界条件的设置。因为粒子的入射方向设置为垂直于入口面，入口速度越大，粒子碰撞入口段壁面的几率越小；2)入口段不存在二次流，流体方向基本都垂直于入射面，粒子即使与壁面碰撞，在流体的作用下，基本不会有多次碰撞同一侧壁面的情况发生。

图 4为不同入口速度时，入口段的冲蚀速率分布，图中已将最大显示的冲蚀速率设置为实际最大冲蚀速率的一半。可以看出，入口速度越低，入口段的冲蚀分布越均匀。

2 颗粒含量的影响分析

图 5为含沙量8%及2%时对称面总压分布图。可以看出，当含沙量较高时，其入口总压也较大，但在出口端处，两者总压基本一样。这表明当含沙量较高时，其能量损失比较大。

图 6为不同含沙量时在不同截面处平均总压变化曲线，图中横坐标为截面编号，其位置已在图 5中标出。沙粒的密度较水大，在入口速度一样的条件下，含沙量越高，总能量也越大。通过对图 6的分析可以发现：无论含沙量如何变化，其主要能量损失都集中在plane 3~7之间，直管部分能量损失很小。最大能量损失位置在流体整体转向处(plane 5~6)，此段总压损失百分比与含沙量相关，当含沙量为2%、4%、6%、8%时，其相对前一截面总压分别损失56.0%、58.6%、60.2%、62.0%。plane 3~7内其余区域均发现此规律，但在入口段及出口段总压损失较小区域，总压损失与含沙量无明显关系。

图 7为不同含沙量时阀门冲蚀速率分布图。当含沙量为2%时，最大冲蚀位置出现在阀门密封面上，且密封面整体的冲蚀速率也大于出口交界面上的冲蚀速率；当含沙量为4%时，最大冲蚀位置出现在交界面上，但密封面上还有冲蚀速率相对较大的点；当含沙量为6%和8%时，最大冲蚀位置已在阀门出口端的加长管道上(图中未显示)，而两者在交界面处的最大冲蚀速率相差不大。图中显示的是多次冲蚀造成的均值，因此最大冲蚀速率是可信的，可以发现，最大冲蚀速率并不与含沙量成正比关系，而且最大冲蚀位置与含沙量有关。当具体至某一位置时，含沙量与最大冲蚀速率的关系更难确定，如在密封面处，当含沙量在2%~8%变化时，其最大冲蚀速率基本不变。

3 阀门开度的影响分析

图 8为当截止阀开度变更为0.5和0.75时，对称面速度分布图。可以发现，当阀门开度变小后，在密封面以上部分的流速会变大，而密封面以下部分则基本无变化。而且随着阀门开度的减小，阀杆与阀盘部位由于截面积突变而形成的涡面积也减小了。

图 9、10分别为截止阀开度为0.5和0.75时阀门总体的冲蚀速率分布云图和阀芯部位的冲蚀云图。为便于比较，图 9、10的冲蚀速率均设在同一范围，实际上开度为0.5时的最大冲蚀速大于开度为0.75时的冲蚀速率。当阀门开度从1降至0.75时，阀门冲蚀速率从7.819e-3 kg/(m²·s)增至1.032e-2 kg/(m²·s)，增长了32%，而且阀门的冲蚀分布也有一定的变化。阀门开度为1时，最大冲蚀位置出现在出口交界面处，且云图显示显著大于其他位置；当开度为0.75时，出口交界面与密封面均有较大的冲蚀速率，而且冲蚀在阀体上分布较均匀。开度为0.75时的阀芯最大冲蚀速率则稍小于开度为1时的最大冲蚀速率，分布则基本一致。

当开度为0.5时，阀门最大冲蚀速率上升至2.67e-2 (kg/m²·s)，较开度为1时增长了2.4倍，最大冲蚀位置出现在密封面上。在出口段和阀门主体部分，冲蚀速率都有一定的下降。开度为0.5时的阀芯最大冲蚀速率为3.37e-3 kg/(m²·s)，较开度为1时增长率近6倍，而且其最大冲蚀位置出现在阀芯的密封面上。可以发现，当开度变为0.5时，最容易出现局部损坏的位置变为了密封面，如果设计阀门时有半开工作的要求，需特别注意此处的冲蚀情况。

4 颗粒直径的影响分析

图 11、12分别是颗粒直径为0.04 mm与1 mm时的截止阀总体冲蚀速率分布云图及阀芯部分分布云图。当颗粒直径为1 mm时，其最大冲蚀速率为4.962e-3 kg/m²·s，冲蚀速率在阀体及出口段部分都分布得比较均匀。将此图与本章中颗粒直径为0.2 mm的其他冲蚀图做对比，可以发现有2个较明显的不同：阀盖处冲蚀速率较大，并且沿对称面均匀分布；出口段最大冲蚀速率出现在A处，而颗粒直径较小时出现在B处。阀盘处的冲蚀速率分布与粒径为0.2 mm时基本一致。

当颗粒直径为0.04 mm时，最大冲蚀速率为1.116e-2 kg/(m²·s)。其冲蚀速率分布较粒径为0.2 mm时更不均匀，但这主要是由于其某些点处冲蚀速率过大所致，调整其显示范围最大至7.819e-3 kg/(m²·s)(颗粒直径为0.2 mm时的最大冲蚀量)，如图 13所示。可以发现，粒径为0.04 mm时，阀门B处的冲蚀率远大于A处，但阀门整体受侵蚀损害的区域较小。阀盘部分则是沿出口方向的冲蚀速率较大，而当直径为0.2 mm或1 mm时，阀盘上基本是平均分布的。

为了寻找分布规律，对一系列粒径做了数值模拟，结果发现：在0.02~1.2 mm范围内，粒径越小，其造成的最大冲蚀速率越大，并且冲蚀的分布越不均匀；但整体的平均冲蚀速率变化较小，在粒子直径小于0.4 mm时，数值模拟得到的平均冲蚀速率在2.0e-3~2.2e-3 kg/(m²·s)之间，当粒子直径大于0.4 mm时，数值模拟得到的平均冲蚀速率在1.8e-3~2.0e-3 kg/(m²·s)。

查阅弯管冲蚀特性相关的文献时，发现弯管的最大冲蚀点的形成与斯托克斯系数S_t有关，斯托克斯系数定义为

式中：D为管道直径；ρ_P为粒子密度；d_P为粒子直径；μ为流体分子黏度。对于弯管而言，其最大冲蚀区一般出现在弯管出口处的两个位置：1)弯管与直管连接处的外拱壁；2)出口直管段侧壁区。当S_t≤1时，最大冲蚀位置出现在侧壁区上；当S_t≥1时，最大冲蚀位置出现在外拱壁处。对比弯管与阀门出口段的流场情况，可以认为阀门出口段的A区为外拱壁，出口段的B区为侧壁区。如果将阀门出口段直径作为管道直径D，当S_t＝1时，粒径为0.18 mm，显然，当粒径为0.2 mm时，B区冲蚀速率还是大于A区。此处，将不同粒径带入数值模拟中发现，当粒径为0.4 mm时，A区与B区冲蚀量基本相等。

斯托克斯数本质上是颗粒的动量响应时间与流体特征时间的比值，代表颗粒惯性力与拽力的相对大小，是表征颗粒在两相流中运动特征的重要无量纲量。而在此处，因为无现有公式直接计算阀门的斯托克斯数，则可以直接使用0.4 mm的粒径作为分界点，在速度不变的情况下，当粒径小于0.4 mm时，粒子在流体拽力作用下跟随流体运动，会造成较大的最大冲蚀速率，并且冲蚀分布不均匀；而当粒径大于0.4 mm时，流体主要受惯性力作用，不易进入流体的二次流漩涡中，所造成的冲蚀分布比较均匀。

5 结论

全文通过改变影响冲蚀速率的参数来模拟截止阀在不同使用环境下的冲蚀特性和变化规律，并取得了以下结论：

1) 截止阀冲蚀速率与流动速度成指数增长，对速度变化十分敏感，因此在设计高速截止阀时，需要十分注意冲蚀可能造成的破坏；

2) 颗粒含量变化时阀门最大冲蚀位置会出现变化，最大冲蚀速率的增长率小于颗粒含量的增长率，但平均冲蚀速率的增长率基本与颗粒含量的增长率一致；

3) 阀门开度对冲蚀特性影响很大，不仅影响冲蚀速率的大小还影响其分布，当阀门半开时，密封面的冲蚀速率远大于全开时的冲蚀速率；

4) 颗粒直径变化时，对阀门的平均冲蚀速率影响不大，但会极大地影响冲蚀分布情况还有最大冲蚀速率。具体表现为：最大冲蚀速率随粒径增大而变小，冲蚀分布则是粒径越大越均匀。