儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬及流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)

王亞萍　王磊　葛江華　張晶　修立威

摘要：針對(duì)某超（超）臨界火電機(jī)組鍋爐儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)的漩渦問題，利用CFD技術(shù)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得到該閥在不同開度下的漩渦的分布情況，為流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。以擴(kuò)大閥體內(nèi)腔，減小閥體內(nèi)壁邊界傾斜度的原則對(duì)其流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，并對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的閥門在全開時(shí)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，證明改進(jìn)后的方案基本消除了漩渦。通過對(duì)流場(chǎng)數(shù)值模擬和流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)為儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥；內(nèi)部流場(chǎng)；漩渦；流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-2683（2015）06-0047-07

0 引言

我國(guó)電力事業(yè)迅猛發(fā)展，超（超）臨界技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，然而閥門制造行業(yè)卻發(fā)展滯后，電站高端閥門一直依賴進(jìn)口，特別是重要的調(diào)節(jié)閥、安全閥。儲(chǔ)水罐的水位高低對(duì)于超（超）臨界鍋爐的安全運(yùn)行至關(guān)重要。在發(fā)達(dá)國(guó)家中，通常以數(shù)值模擬手段對(duì)一系列設(shè)計(jì)方案進(jìn)行預(yù)選，然后再通過少量的試驗(yàn)來對(duì)預(yù)選方案進(jìn)行校核，最后確定最終方案。這樣，就能夠減少試驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)試驗(yàn)具有目的性和針對(duì)性。儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥安裝在儲(chǔ)水罐出口處，通過調(diào)節(jié)排水流量對(duì)儲(chǔ)水罐水位進(jìn)行控制。潘廣香，王傳禮等人采用CFD技術(shù)手段以錐閥為研究對(duì)象，對(duì)其內(nèi)部流體的流動(dòng)特性進(jìn)行了分析，得到了其內(nèi)部流體的三維可視化圖形，以此為依據(jù)對(duì)其內(nèi)部流體的流動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并以減小振動(dòng)和消除噪聲為目標(biāo)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。董建華，劉艷采用CFD技術(shù)以某600MW超超臨界汽輪機(jī)組高壓主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥為研究對(duì)象，對(duì)其在額定工況下的內(nèi)部流體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析研究了閥門內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)特性，以及在主汽閥內(nèi)加置擋板和濾網(wǎng)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)和閥門損失的影響。通過對(duì)文獻(xiàn)的分析和總結(jié)，可以得到以下結(jié)論：閥門內(nèi)部流體流動(dòng)特性的研究主要集中在普通閥門，對(duì)于超（超）臨界火電機(jī)組閥門的研究相對(duì)較少，特別是調(diào)節(jié)閥，且研究的閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單。

本文以某超（超）臨界火電機(jī)組鍋爐儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，根據(jù)閥芯位移建立該閥門在閥芯不同開度下的流道幾何模型和網(wǎng)格模型。采用計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYSCFX對(duì)該閥門在實(shí)際工作狀況下的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得到該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在不同開度下的速度分布情況，壓力損失狀況和漩渦分布情況，根據(jù)仿真結(jié)果得到在閥芯和二級(jí)節(jié)流孔板之間流道內(nèi)靠近閥門開口方向的閥壁處出現(xiàn)較大的漩渦，針對(duì)該閥門內(nèi)部流場(chǎng)的這一問題，對(duì)閥門的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的方案基本消除了漩渦。

1 控制方程

質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律以及能量守恒定律被稱為流體力學(xué)的三大定律，而流體介質(zhì)的流動(dòng)必須要遵循這三大定律。它們是對(duì)流體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種數(shù)學(xué)描述。本文采用三維粘性不壓縮流體的控制方程組作為數(shù)學(xué)模型。直角坐標(biāo)系下，三維粘性不壓縮流體流動(dòng)的控制方程組為：

1）質(zhì)量守恒方程：此方程也被稱為連續(xù)性方程，在這個(gè)方程過程中：ρ是流體介質(zhì)的密度，t是時(shí)間，u是速度矢量在x軸上的分量，v是速度矢量在y軸上的分量，w是速度矢量在z軸上的分量。

對(duì)于不可壓縮流體，密度ρ為常數(shù)，式（1）變?yōu)椋?/p>

對(duì)于定常流動(dòng)，密度ρ不隨時(shí)間變化，式（1）變?yōu)椋?/p>

2）動(dòng)量守恒方程。此定律的實(shí)質(zhì)就是牛頓運(yùn)動(dòng)第二定律。本文研究的儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流體為牛頓流體，動(dòng)量守恒方程在z，y，z三個(gè)坐標(biāo)上的表達(dá)式可記作：在式（4）中，p是作用在流體微元體上的壓力，S_uS_v、S_w表示動(dòng)量守恒方程分別在3個(gè)坐標(biāo)軸上的廣義源項(xiàng)。

3）能量守恒方程。本文的研究遵循能量守恒定律，其實(shí)質(zhì)就是熱力學(xué)第一定律，能量守恒方程可以用矢量表示：

在式（6）中ρ是流體介質(zhì)的密度，T是時(shí)間，u，v，w是速度矢量在三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量，p是作用在流體微元體上的壓力，S_T是斯坦頓準(zhǔn)數(shù)。

2.2 網(wǎng)格模型

本文選取ANSYSCFX網(wǎng)格劃分工具ICEMCFD對(duì)儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在不同開度下的流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因?yàn)樵搩?chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥閥門內(nèi)部流體流動(dòng)復(fù)雜，流道三維模型極其不規(guī)則，特別是閥芯開口處和二次節(jié)流孔處，所以本文采用對(duì)模型適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。并對(duì)流道較窄和重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域設(shè)置較小的網(wǎng)格尺寸，使該區(qū)域生成數(shù)量較多的網(wǎng)格，有利于促進(jìn)數(shù)值結(jié)果的正確性。設(shè)置全局網(wǎng)格最大允許尺寸為30，體網(wǎng)格采用八叉樹生成四面體網(wǎng)格，將模型壁面設(shè)置成不同的part：將流體模型人口設(shè)置成part：IN；將流體模型出口設(shè)置成part：OUT；將流體模型對(duì)稱面設(shè)置成part：SYM；將閥芯壁面設(shè)置成part：SPOOL；二級(jí)節(jié)流孔板的小孔壁面設(shè)置成part：HOLE；其余壁面設(shè)置成part：WALL。在閥芯開口處，節(jié)流孔處以及對(duì)稱面設(shè)置較小網(wǎng)格尺寸。在流體模型除入口，出口和對(duì)稱面的其它壁面處生成三棱柱邊界層網(wǎng)格。各部分的網(wǎng)格尺寸設(shè)置如表l所示。生成的網(wǎng)格單元為100萬(wàn)左右，網(wǎng)格質(zhì)量系數(shù)分布均勻，均大于0.2，滿足計(jì)算要求。圖3所示為網(wǎng)格模型的局部放大圖。

3 數(shù)值結(jié)果與分析

3.1 求解參數(shù)和邊界條件

流體介質(zhì)為氣水混合物，采用IAPWSIF97標(biāo)準(zhǔn)中的Steam5vl，流體域模型參考?jí)毫閘atm，熱量傳輸為靜溫330℃，湍流模型設(shè)定為k-Epsilon湍流模型，無(wú)燃燒，無(wú)對(duì)流，其余參數(shù)依照CFX默認(rèn)值設(shè)定。流體入口設(shè)置為入口邊界條件Inlet，亞音速流動(dòng)，靜壓12.77MPa，選擇5%的中等湍流強(qiáng)度，流體流動(dòng)方向只需符合邊界條件即可，流體出口處設(shè)置為出口邊界條件Outlet，亞音速流動(dòng)，變量類型設(shè)置為出口質(zhì)量流量20kg/s；對(duì)稱面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件Symmetry；其余面設(shè)置成無(wú)滑移壁面邊界條件。求解方式為二階迎風(fēng)格式，最大迭代步數(shù)100000，平均殘差為0.00001。生成“.def”的求解文件并在CFX-Solver中進(jìn)行求解。

3.2 漩渦分布

儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流動(dòng)產(chǎn)生的漩渦主要分布在閥芯開啟和二級(jí)節(jié)流孔板之間的流道內(nèi)以及二級(jí)節(jié)流孔板的下方流道內(nèi)，由儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在不同開度下的不同位置的對(duì)稱面漩渦圖，如圖4至圖11所示。

1）閥芯開啟處和二級(jí)節(jié)流孔板之間流道內(nèi)的漩渦分布：在閥門開度為20%時(shí)，由于通過閥體的流體流量較少，所有流體可通過二級(jí)節(jié)流孔板直接排出，此時(shí)在閥芯開啟處和二級(jí)節(jié)流孔板之間的流道內(nèi)沒有漩渦產(chǎn)生。在閥門開度為40%和60%時(shí)，由于閥門開度的增大，通過閥門的流量增多，在閥芯開啟處下方有漩渦產(chǎn)生，在閥芯開啟處和二級(jí)節(jié)流孔板之間的流道內(nèi)有多個(gè)小漩渦的出現(xiàn)，在開度為80%和100%時(shí)，由于閥門開度的繼續(xù)增大，通過閥門的流量繼續(xù)增多，在閥芯開啟處和二級(jí)節(jié)流孔板之間的流道內(nèi)（靠近閥門人口的方向）有大的漩渦出現(xiàn)。

2）節(jié)流孔板下方流道內(nèi)的漩渦分布：在閥門開度為20%時(shí)，節(jié)流孔板下方無(wú)漩渦產(chǎn)生，隨著開度的增大，節(jié)流孔板下方有漩渦產(chǎn)生，分布在節(jié)流孔板下方閥壁處；在節(jié)流孔板下方由于節(jié)流孔的存在，出現(xiàn)漩渦。

該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥開度較大時(shí)會(huì)在閥芯開啟處和節(jié)流孔板之間（靠近入口管道一側(cè)）產(chǎn)生較大的漩渦，這種漩渦的長(zhǎng)期存在，會(huì)對(duì)閥體的內(nèi)壁產(chǎn)生沖擊，減少閥體壽命，同時(shí)漩渦的存在也是閥門工作產(chǎn)生噪聲的主要原因，并可能引起閥門的泄露，影響調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)精度。因此，該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型線并不合理。

4 儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由上文的儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在實(shí)際工況下的內(nèi)部流場(chǎng)的仿真分析得到，在該閥門開度較大時(shí)會(huì)在閥芯開啟處和節(jié)流孔板之間（靠近入口管道一側(cè)）產(chǎn)生較大的漩渦，這種漩渦的長(zhǎng)期存在，會(huì)對(duì)閥體的內(nèi)壁產(chǎn)生沖擊，減少閥體壽命，同時(shí)漩渦的存在也是閥門工作產(chǎn)生噪聲的主要原因，并可能引起閥門泄漏。因此，該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型線并不合理。因此對(duì)該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

4.1 儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)的改進(jìn)模型

本文研究的儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)部產(chǎn)生的漩渦，是由于閥體內(nèi)腔過窄和閥體內(nèi)壁邊界較陡，傾斜度較大所造成的。所以本文本著擴(kuò)大閥體內(nèi)腔，減小閥體內(nèi)壁邊界傾斜度的原則對(duì)該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

改進(jìn)方案一：增大閥芯開啟處下方的流道區(qū)域，進(jìn)行第一步改進(jìn)。為了保證二級(jí)節(jié)流孔板的正常裝配，保持l不變，閥芯開啟處直徑不變，連接ab，bc，同理連接de，ef。圖12為儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在該方案改進(jìn)前后的全開時(shí)閥門三維實(shí)體模型，圖13為儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在方案一中閥門全開時(shí)的流道模型。

改進(jìn)方案二：在方案一的基礎(chǔ)上增大閥腔體積。以ab的中點(diǎn)c為網(wǎng)心，以ab/2長(zhǎng)為半徑做網(wǎng)得到新的閥腔型線。圖14為閥門結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的閥腔型線，圖15為儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在改進(jìn)方案二中的閥門全開時(shí)的流道模型。

4.2 儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥改進(jìn)模型的內(nèi)部流場(chǎng)仿真分析

對(duì)改進(jìn)方案中的儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在全開時(shí)，實(shí)際工況下的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。流動(dòng)模型的定義與上文中的流動(dòng)模型定義相同。圖16至圖19為儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在兩種改進(jìn)方案中的全開時(shí)，實(shí)際工況下的內(nèi)部流體流動(dòng)的速度流線圖和速度矢量圖局部放大圖。

由圖16和17可以看出，經(jīng)方案一后，閥芯開啟處和二級(jí)節(jié)流孔板之間的漩渦有所減小，所以方案一可以減小漩渦。

由圖18和19可以看出，經(jīng)方案二后，閥芯開啟處和二級(jí)節(jié)流孔板之間的漩渦與結(jié)構(gòu)改進(jìn)前相比，明顯消失。

通過仿真實(shí)驗(yàn)可以得出，增大閥芯開啟處下方的流體區(qū)域，即方案一對(duì)于減小漩渦有一定的效果；合理增大平衡腔的體積，即方案二，可以很好的改善漩渦。由于方案二與方案一比能更好的減小漩渦，故采用方案二。經(jīng)查閱資料可知流量系數(shù)K_v值的大小決定著產(chǎn)生漩渦的漩渦大小。以改進(jìn)的結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過對(duì)比模擬、理論與實(shí)際情況下閥門不同開度下流量系數(shù)K_v值和相對(duì)誤差，進(jìn)一步驗(yàn)證了方案二改進(jìn)結(jié)果的可靠性，對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某超（超）臨界火電機(jī)組鍋爐儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，利用CFD技術(shù)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)其流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，主要完成了以下工作：

1）建立了儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在閥芯不同開度下的流道幾何模型，并采用ICEMCFD建立該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在閥芯不同開度下的流道網(wǎng)格模型。

2）對(duì)儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥實(shí)際工況下的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)漩渦分布情況，得到在閥芯開啟處和二級(jí)節(jié)流孔板之間的流道內(nèi)的漩渦，為流道改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3）針對(duì)該閥門內(nèi)部流場(chǎng)的漩渦問題，以擴(kuò)大閥體內(nèi)腔，減小閥體內(nèi)壁邊界傾斜度的原則對(duì)該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，并對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的閥門在全開時(shí)的內(nèi)部流體的流動(dòng)進(jìn)行仿真分析，證明改進(jìn)后的方案基本消除了漩渦。

（編輯：王萍）