黑水調節閥內閃蒸現象的數值模擬與結構改進

顏 震 汪 歡 李 峰 俞曉龍 王志剛 趙子榮

(北京航天長征機械設備制造有限公司)

筆者采用的CFD數值模擬方法，改變了傳統的閥門設計理念，在產品設計之初，就可以根據閥門的內流場特性，對其進行結構優化和方案改進，從而保證設計出的產品具有優良的使用性能。CFD設計理念在閥門研發設計中的推廣，可以優化工作流程，大幅度縮短產品設計周期尤其是新產品的研發周期，節約成本，為企業帶來可觀的經濟效益和社會效益。

1 黑水調節閥結構簡介

黑水調節閥多為角閥，廣泛運用于煤化工系統中，用來控制高粘度介質、含有顆粒的流體以及閃蒸流體等。由于使用工況惡劣，針對這類閥門內部的流場進行CFD數值模擬分析，得到可視化的結果，了解其閃蒸、空化的情況對改進設計結構、提高使用壽命至關重要。

筆者選取DN100mm，PN11.0MPa的黑水調節閥為研究對象，其三維結構如圖1所示。工作時，介質從入口流入，流經閥頭與閥座之間形成的節流口，再依次經過閥座段和擴散段后流出，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 數值模擬研究

2.1 建模

建立該型號黑水調節閥開度分別為10%～100%時的流道模型，并根據流道結構建立非結構

圖1 黑水調節閥三維結構

網格模型[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 數值計算

將GAMBIT導出的網格文件讀入FLUENT后，選擇求解器，求解方程和模型(選用k-ε標準湍流模型)，設置流體物性和進、出口的邊界條件，進行流場初始化，設定控制參數及定義迭代次數后就可以進行求解，具體計算條件如下：

介質 液態水

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 數值模擬結果分析

由于該黑水調節閥的固有流量特性為等百分比，主要工作區間為開度10%～90%，筆者選取40%、50%兩個常用開度進行重點分析。

2.3.1開度為40%時的流場特性

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

圖3 40%開度時節流口處局部壓力云圖

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

圖4 40%開度節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為節流口前流道內形成的上下兩處渦流，圖5b為節流口后閥座段與擴散段兩直段過渡處形成的渦流。

a. 節流口前流道

b. 節流口后閥座段與擴散段

2.3.250%開度時流場特性

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

圖6 50%開度時節流口處局部壓力云圖

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

圖7 50%開度時節流口處局部速度矢量圖

3 結構改進后的數值模擬

從改進前的數值模擬結果可以看出，在節流口處有高速流區域，而且在閥座段與擴散段兩個直段交界的地方出現渦流，因此可以設想將節流口后改為整體喇叭狀的結構，即去掉閥座段和擴散段兩個直段間的直角過渡，以期能夠改善節流口后的流場特性[3]。筆者選擇喇叭口的角度為5°進行數值計算，并將數值模擬結果與前對照。

3.1 建模

如圖8所示為改進后的結構在閥門打開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 數值模擬及分析

計算條件與改進前的一致，與原結構相同，選取開度為40%、50%兩個開度進行分析。

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，與原結構相比，改進后流道內壓力分布更加均勻，節流口處同樣出現負壓區，在整個流道內沒有局部壓力的陡升。

a. 整體

b. 節流口處

從圖10所示的速度矢量圖可以看出，整個流道內速度較為均勻，節流口處出現高速區域，高速區域的面積比原結構有所減小。與原結構相比，流道內渦流強度有所減弱。與原結構相同，在節流口處出現最大速度，但最大速度值減小很多[4]。

a. 整體

b. 節流口處

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%開度時節流口處局部壓力云圖

圖12 50%開度節流口處局部速度矢量圖

3.3 改進前、后同等流量下流道內最高速度的對比

選取結構改進前、后兩個同等流量下的流道內最高速度列于表1進行對比。

表1 結構改進前、后同等流量下流道最高速度的對比

通過對比表1中的數據發現，結構改進后，同等流量下流道內的最高速度減小了，因此對于改進后結構，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生的沖擊減小了。

4 結束語

通過對該型號黑水調節閥的三維數值模擬研究，得到了閥門的內流場特性，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象的發生及發展過程。在對速度矢量圖分析的基礎上對流道結構進行了改進，并對改進后的結構進行了數值模擬分析，通過結果對比，證明改進后的結構更符合流體流動規律，除節流口處出現局部高速流外，其他區域流速較為均勻，流道內渦流較弱，減少了能量損失。結構改進后，節流口處最高速度減小了很多，且減小了高速流區域面積，從而減小了高速流對內壁的沖刷，延長了閥門的使用壽命。筆者對黑水調節閥內出現的閃蒸現象進行了初步探索，得到了一些基本結論，由于出現閃蒸時介質已變成氣液兩相，下一步將開展氣液兩相流的數值模擬，以期得到更準確的結論。

[1] 劉厚林，董亮，王勇，等.流體機械CFD中的網格生成方法進展[J].流體機械，2010，38(4)：32～37.

[2] 陸培文.調節閥實用技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3] 顏震，汪歡，黎玉飛.煤氣化核心調節閥的數值模擬與結構優化[J].液壓與氣動，2013，(5)：9～12.

[4] 徐宏海，楊麗，詹寧.基于Fluent的調節閥內部流場數值模擬[J].機械設計與制造，2009，(8)：214～216.