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黑水调节阀内闪蒸现象的数值模拟与结构改进
远道阀门 / 2017-03-18

 笔者采用的CFD数值模拟方法,改变了传统的阀门设计理念,在产品设计之初,就可以根据阀门的内流场特性,对其进行结构优化和方案改进,从而保证设计出的产品具有优良的使用性能。CFD设计理念在阀门研发设计中的推广,可以优化工作流程,大幅度缩短产品设计周期尤其是新产品的研发周期,节约成本,为企业带来可观的经济效益和社会效益。

1 黑水调节阀结构简介
黑水调节阀 href="http://www.tj88.cn/" target=_blank>调节阀多为角阀,广泛运用于煤化工系统中,用来控制高粘度介质、含有颗粒的流体以及闪蒸流体等。由于使用工况恶劣,针对这类阀门内部的流场进行CFD数值模拟分析,得到可视化的结果,了解其闪蒸、空化的情况对改进设计结构、提高使用寿命至关重要。
笔者选取DN100mm,PN11.0MPa的黑水调节阀为研究对象,其三维结构如图1所示。工作时,介质从入口流入,流经阀头与阀座之间形成的节流口,再依次经过阀座段和扩散段后流出,通过阀杆的上、下移动改变阀头与阀座之间的相对位置从而改变流量。
 
图1 黑水调节阀三维结构
2 数值模拟研究
2.1 建模
建立该型号黑水调节阀开度分别为10%~100%时的流道模型,并根据流道结构建立非结构网格模型,其中开度为40%的流道模型如图2所示。为使流动更充分,出、入口分别延长300mm。
 
图2 40%开度时的流道模型
2.2 数值计算
将GAMBIT导出的网格文件读入FLUENT后,选择求解器,求解方程和模型(选用k-ε标准湍流模型),设置流体物性和进、出口的边界条件,进行流场初始化,设定控制参数及定义迭代次数后就可以进行求解,具体计算条件如下:
介质  液态水
工作密度  841.2kg/m3
饱和蒸汽压力  2.27MPa
操作温度  219℃
动力粘度  0.122
入口压力  3.800MPa
出口压力 0.586MPa
2.3 数值模拟结果分析
由于该黑水调节阀的固有流量特性为等百分比,主要工作区间为开度10%~90%,笔者选取40%、50%两个常用开度进行重点分析。
2.3.1 开度为40%时的流场特性
从40%开度时节流口处局部压力云图(图3)可以看出在节流口处有一段负压区域。从数值上看,节流口到出口这段区域压力都小于介质的饱和蒸汽压力,因此在这一段区域会发生闪蒸现象,不会发生空化。流动的液体变成有气泡存在的气、液两相的混合体,两相介质的减速和膨胀作用会产生噪声和振动。闪蒸一般不会破坏节流元件,但会产生阻塞流,使调节阀流量减小,此时流量Q基本上不随压差Δp的增加而增加。
 
图3 40%开度时节流口处局部压力云图
从40%开度时节流口处的速度矢量图(图4)可以看出,节流口处速度陡升,形成局部高速区,高速流会对阀头、阀座和出口流道壁面产生剧烈的冲击,在节流口处出现整个流道内的最高速度。为抵御高速流带来的冲击,需要在阀头、阀座表面堆焊硬质合金,并在出口流道壁面衬整体烧结硬质合金。
 
图4 40%开度节流口处局部速度矢量图
从40%开度,z=0截面局部速度矢量图(图5)可以看出各局部涡流的情况。图5a为节流口前流道内形成的上下两处涡流,图5b为节流口后阀座段与扩散段两直段过渡处形成的涡流。
 
图5 40%开度z=0截面局部速度矢量图
2.3.2 50%开度时流场特性
从图6所示的50%开度时节流口处局部压力云图可以看出,50%开度时流道内的压力分布与40%开度时类似。
 
图6 50%开度时节流口处局部压力云图
从图7可以看出50%开度时高速流区域比40%开度时有所扩大,而且最高速度值也增大了。笔者将这一现象与其他开度时的进行对比可知:随着阀门开度的增大,节流口处高速流区域的面积逐渐增大。
 
图7 50%开度时节流口处局部速度矢量图
3 结构改进后的数值模拟
从改进前的数值模拟结果可以看出,在节流口处有高速流区域,而且在阀座段与扩散段两个直段交界的地方出现涡流,因此可以设想将节流口后改为整体喇叭状的结构,即去掉阀座段和扩散段两个直段间的直角过渡,以期能够改善节流口后的流场特性。笔者选择喇叭口的角度为5°进行数值计算,并将数值模拟结果与前对照。
3.1 建模
如图8所示为改进后的结构在阀门打开40%开度时的流道模型。为使流动更充分,出、入口分别延长300mm。
 
图8 40%开度时的流道模型
3.2 数值模拟及分析
计算条件与改进前的一致,与原结构相同,选取开度为40%、50%两个开度进行分析。
3.2.1 开度为40%时的流场特性
从图9所示的压力云图可以看出,与原结构相比,改进后流道内压力分布更加均匀,节流口处同样出现负压区,在整个流道内没有局部压力的陡升。
 
图9 40%开度时压力云图
从图10所示的速度矢量图可以看出,整个流道内速度较为均匀,节流口处出现高速区域,高速区域的面积比原结构有所减小。与原结构相比,流道内涡流强度有所减弱。与原结构相同,在节流口处出现最大速度,但最大速度值减小很多。
 
图10 40%开度时速度矢量图
3.2.2 开度为50%时的流场特性
50%开度时的流场特性与40%开度下类似(图11、12),在此不再赘述。
 
图11 50%开度时节流口处局部压力云图
 
图12 50%开度节流口处局部速度矢量图
3.3 改进前、后同等流量下流道内最高速度的对比
选取结构改进前、后两个同等流量下的流道内最高速度列于表1进行对比。
表1 结构改进前、后同等流量下流道内最高速度的对比
 
通过对比表1中的数据发现,结构改进后,同等流量下流道内的最高速度减小了,因此对于改进后结构,在满足所需流量的前提下,气流对阀头、阀座和出口流道壁面产生的冲击减小了。
4 结束语
通过对该型号黑水调节阀的三维数值模拟研究,得到了阀门的内流场特性,通过对压力云图和速度矢量图的分析,更清楚地了解到闪蒸现象的发生及发展过程。在对速度矢量图分析的基础上对流道结构进行了改进,并对改进后的结构进行了数值模拟分析,通过结果对比,证明改进后的结构更符合流体流动规律,除节流口处出现局部高速流外,其他区域流速较为均匀,流道内涡流较弱,减少了能量损失。结构改进后,节流口处最高速度减小了很多,且减小了高速流区域面积,从而减小了高速流对内壁的冲刷,延长了阀门的使用寿命。笔者对黑水调节阀内出现的闪蒸现象进行了初步探索,得到了一些基本结论,由于出现闪蒸时介质已变成气液两相,下一步将开展气液两相流的数值模拟,以期得到更准确的结论。

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