顏 震 汪 歡 李 峰 俞曉龍 王志剛 趙子榮

(北京航天長征機(jī)械設(shè)備制造有限公司)

筆者采用的CFD數(shù)值模擬方法，改變了傳統(tǒng)的閥門設(shè)計(jì)理念，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，就可以根據(jù)閥門的內(nèi)流場特性，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和方案改進(jìn)，從而保證設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品具有優(yōu)良的使用性能。CFD設(shè)計(jì)理念在閥門研發(fā)設(shè)計(jì)中的推廣，可以優(yōu)化工作流程，大幅度縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期尤其是新產(chǎn)品的研發(fā)周期，節(jié)約成本，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 黑水調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)簡介

黑水調(diào)節(jié)閥多為角閥，廣泛運(yùn)用于煤化工系統(tǒng)中，用來控制高粘度介質(zhì)、含有顆粒的流體以及閃蒸流體等。由于使用工況惡劣，針對這類閥門內(nèi)部的流場進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析，得到可視化的結(jié)果，了解其閃蒸、空化的情況對改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、提高使用壽命至關(guān)重要。

筆者選取DN100mm，PN11.0MPa的黑水調(diào)節(jié)閥為研究對象，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時，介質(zhì)從入口流入，流經(jīng)閥頭與閥座之間形成的節(jié)流口，再依次經(jīng)過閥座段和擴(kuò)散段后流出，通過閥桿的上、下移動改變閥頭與閥座之間的相對位置從而改變流量。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 建模

建立該型號黑水調(diào)節(jié)閥開度分別為10%～100%時的流道模型，并根據(jù)流道結(jié)構(gòu)建立非結(jié)構(gòu)

圖1 黑水調(diào)節(jié)閥三維結(jié)構(gòu)

網(wǎng)格模型[1]，其中開度為40%的流道模型如圖2所示。為使流動更充分，出、入口分別延長300mm。

2.2 數(shù)值計(jì)算

將GAMBIT導(dǎo)出的網(wǎng)格文件讀入FLUENT后，選擇求解器，求解方程和模型(選用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型)，設(shè)置流體物性和進(jìn)、出口的邊界條件，進(jìn)行流場初始化，設(shè)定控制參數(shù)及定義迭代次數(shù)后就可以進(jìn)行求解，具體計(jì)算條件如下：

介質(zhì) 液態(tài)水

工作密度 841.2kg/m3

飽和蒸汽壓力 2.27MPa

操作溫度 219℃

動力粘度 0.122

入口壓力 3.800MPa

出口壓力 0.586MPa

圖2 40%開度時的流道模型

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于該黑水調(diào)節(jié)閥的固有流量特性為等百分比，主要工作區(qū)間為開度10%～90%，筆者選取40%、50%兩個常用開度進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2.3.1開度為40%時的流場特性

從40%開度時節(jié)流口處局部壓力云圖(圖3)可以看出在節(jié)流口處有一段負(fù)壓區(qū)域。從數(shù)值上看，節(jié)流口到出口這段區(qū)域壓力都小于介質(zhì)的飽和蒸汽壓力，因此在這一段區(qū)域會發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，不會發(fā)生空化。流動的液體變成有氣泡存在的氣、液兩相的混合體，兩相介質(zhì)的減速和膨脹作用會產(chǎn)生噪聲和振動[2]。閃蒸一般不會破壞節(jié)流元件，但會產(chǎn)生阻塞流，使調(diào)節(jié)閥流量減小，此時流量Q基本上不隨壓差Δp的增加而增加。

圖3 40%開度時節(jié)流口處局部壓力云圖

從40%開度時節(jié)流口處的速度矢量圖(圖4)可以看出，節(jié)流口處速度陡升，形成局部高速區(qū)，高速流會對閥頭、閥座和出口流道壁面產(chǎn)生劇烈的沖擊，在節(jié)流口處出現(xiàn)整個流道內(nèi)的最高速度。為抵御高速流帶來的沖擊，需要在閥頭、閥座表面堆焊硬質(zhì)合金，并在出口流道壁面襯整體燒結(jié)硬質(zhì)合金。

圖4 40%開度節(jié)流口處局部速度矢量圖

從40%開度，z=0截面局部速度矢量圖(圖5)可以看出各局部渦流的情況。圖5a為節(jié)流口前流道內(nèi)形成的上下兩處渦流，圖5b為節(jié)流口后閥座段與擴(kuò)散段兩直段過渡處形成的渦流。

a. 節(jié)流口前流道

b. 節(jié)流口后閥座段與擴(kuò)散段

2.3.250%開度時流場特性

從圖6所示的50%開度時節(jié)流口處局部壓力云圖可以看出，50%開度時流道內(nèi)的壓力分布與40%開度時類似。

圖6 50%開度時節(jié)流口處局部壓力云圖

從圖7可以看出50%開度時高速流區(qū)域比40%開度時有所擴(kuò)大，而且最高速度值也增大了。筆者將這一現(xiàn)象與其他開度時的進(jìn)行對比可知：隨著閥門開度的增大，節(jié)流口處高速流區(qū)域的面積逐漸增大。

圖7 50%開度時節(jié)流口處局部速度矢量圖

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的數(shù)值模擬

從改進(jìn)前的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在節(jié)流口處有高速流區(qū)域，而且在閥座段與擴(kuò)散段兩個直段交界的地方出現(xiàn)渦流，因此可以設(shè)想將節(jié)流口后改為整體喇叭狀的結(jié)構(gòu)，即去掉閥座段和擴(kuò)散段兩個直段間的直角過渡，以期能夠改善節(jié)流口后的流場特性[3]。筆者選擇喇叭口的角度為5°進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并將數(shù)值模擬結(jié)果與前對照。

3.1 建模

如圖8所示為改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在閥門打開40%開度時的流道模型。為使流動更充分，出、入口分別延長300mm。

圖8 40%開度時的流道模型

3.2 數(shù)值模擬及分析

計(jì)算條件與改進(jìn)前的一致，與原結(jié)構(gòu)相同，選取開度為40%、50%兩個開度進(jìn)行分析。

3.2.1開度為40%時的流場特性

從圖9所示的壓力云圖可以看出，與原結(jié)構(gòu)相比，改進(jìn)后流道內(nèi)壓力分布更加均勻，節(jié)流口處同樣出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，在整個流道內(nèi)沒有局部壓力的陡升。

a. 整體

b. 節(jié)流口處

從圖10所示的速度矢量圖可以看出，整個流道內(nèi)速度較為均勻，節(jié)流口處出現(xiàn)高速區(qū)域，高速區(qū)域的面積比原結(jié)構(gòu)有所減小。與原結(jié)構(gòu)相比，流道內(nèi)渦流強(qiáng)度有所減弱。與原結(jié)構(gòu)相同，在節(jié)流口處出現(xiàn)最大速度，但最大速度值減小很多[4]。

a. 整體

b. 節(jié)流口處

3.2.2開度為50%時的流場特性

50%開度時的流場特性與40%開度下類似(圖11、12)，在此不再贅述。

圖11 50%開度時節(jié)流口處局部壓力云圖

圖12 50%開度節(jié)流口處局部速度矢量圖

3.3 改進(jìn)前、后同等流量下流道內(nèi)最高速度的對比

選取結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后兩個同等流量下的流道內(nèi)最高速度列于表1進(jìn)行對比。

表1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后同等流量下流道最高速度的對比

通過對比表1中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，同等流量下流道內(nèi)的最高速度減小了，因此對于改進(jìn)后結(jié)構(gòu)，在滿足所需流量的前提下，氣流對閥頭、閥座和出口流道壁面產(chǎn)生的沖擊減小了。

4 結(jié)束語

通過對該型號黑水調(diào)節(jié)閥的三維數(shù)值模擬研究，得到了閥門的內(nèi)流場特性，通過對壓力云圖和速度矢量圖的分析，更清楚地了解到閃蒸現(xiàn)象的發(fā)生及發(fā)展過程。在對速度矢量圖分析的基礎(chǔ)上對流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過結(jié)果對比，證明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)更符合流體流動規(guī)律，除節(jié)流口處出現(xiàn)局部高速流外，其他區(qū)域流速較為均勻，流道內(nèi)渦流較弱，減少了能量損失。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，節(jié)流口處最高速度減小了很多，且減小了高速流區(qū)域面積，從而減小了高速流對內(nèi)壁的沖刷，延長了閥門的使用壽命。筆者對黑水調(diào)節(jié)閥內(nèi)出現(xiàn)的閃蒸現(xiàn)象進(jìn)行了初步探索，得到了一些基本結(jié)論，由于出現(xiàn)閃蒸時介質(zhì)已變成氣液兩相，下一步將開展氣液兩相流的數(shù)值模擬，以期得到更準(zhǔn)確的結(jié)論。

[1] 劉厚林，董亮，王勇，等.流體機(jī)械CFD中的網(wǎng)格生成方法進(jìn)展[J].流體機(jī)械，2010，38(4)：32～37.

[2] 陸培文.調(diào)節(jié)閥實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3] 顏震，汪歡，黎玉飛.煤氣化核心調(diào)節(jié)閥的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].液壓與氣動，2013，(5)：9～12.

[4] 徐宏海，楊麗，詹寧.基于Fluent的調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場數(shù)值模擬[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，(8)：214～216.