黑水閥內(nèi)腔半徑對流場的影響分析

馮建東，游桃雄

(北京航天石化技術(shù)裝備工程公司，北京 100076)

黑水閥作為煤氣化裝置中的關(guān)鍵閥門，其工況具有高溫、高壓差、介質(zhì)含固量高、強(qiáng)沖刷、強(qiáng)腐蝕、部分介質(zhì)呈現(xiàn)氣液固三相混合的特點，使用環(huán)境十分惡劣[1，2]，因此閥門故障成為常態(tài)。目前，國內(nèi)外黑水閥生產(chǎn)廠家雖進(jìn)行了各種各樣的研究，并采取對閥內(nèi)件材料進(jìn)行加工硬化處理等方法，使得黑水閥的使用壽命有了較大的提高，但實際上目前市場上黑水閥及內(nèi)件的使用壽命絕大多數(shù)仍不足一年，極大地限制了煤化工的連續(xù)化生產(chǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅增加。

流體流入閥體后，會在內(nèi)腔進(jìn)行整流匯合，再流入在閥頭與閥座之間形成的節(jié)流口。內(nèi)腔的整流結(jié)果會影響到節(jié)流口處的流體流速是否均勻，進(jìn)而影響閥體在閥座處是否會發(fā)生側(cè)沖以及側(cè)沖的角度。然而，隨著內(nèi)腔半徑的增加，體積變大，從而導(dǎo)致閥體的質(zhì)量和生產(chǎn)加工成本大幅增加，這在經(jīng)濟(jì)上來說是得不償失的，因此合理選擇內(nèi)腔的大小十分重要。而目前市面上生產(chǎn)黑水閥的廠家對于內(nèi)腔半徑的選擇并沒有一個明確的規(guī)定，在針對黑水閥流場的研究中也并未涉及這一點。

因此，本文通過SolidWorks三維軟件建立黑水閥流道模型，利用Fluent對不同內(nèi)腔半徑的黑水閥進(jìn)行三維流場模擬，從而為黑水閥的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 模型建立

以DN300mm，DN150mm喉徑的球形黑水閥為基礎(chǔ)，保證出、入口距中心線長度不變，并盡可能保證入口流道形狀一致，設(shè)計了4個內(nèi)腔半徑分別為210mm、220mm、230mm、260mm的閥體，并建立流道模型。為提高計算效率，取一半模型進(jìn)行計算，閥體結(jié)構(gòu)見圖1。選取30%，50%開度進(jìn)行研究，模型網(wǎng)格數(shù)量在100萬～140萬之間，網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1 閥體結(jié)構(gòu)

圖2 流道網(wǎng)格劃分示意

2.2 參數(shù)設(shè)置

選用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型對流場模型進(jìn)行求解[3]，介質(zhì)為水，介質(zhì)狀態(tài)為液態(tài)，工作密度為998.2kg/m3,入口速度為1m/s，出口壓力為0.103MPa。湍流模型為k-ε。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 流場跡線分析

不同內(nèi)腔半徑下的閥體內(nèi)部流速跡線見圖3和圖4。從圖中可以看到，隨著內(nèi)腔半徑的增加，右側(cè)的球形閥體處流體流動增加，且進(jìn)入閥座后也相對更加均勻。但4個半徑下的閥體在出口處均存在有渦流。

圖3 30%開度下流場跡線示意

圖4 50%開度下流場跡線示意

2.3.2流場壓力分析

不同內(nèi)腔半徑下的閥體壓力云圖見圖5和圖6，提取不同內(nèi)腔半徑下的入口壓力(見表1)。從表1中可以看到，對于小開度(30%)下的閥體，由于節(jié)流口處的流通面積很小，流體流經(jīng)節(jié)流口處的壓降損失很大，隨著內(nèi)腔半徑的增加，入口壓力呈上升趨勢。而當(dāng)開度達(dá)到50%時，由于節(jié)流口處的流通面積增加，入口壓力和節(jié)流口處的最大速度雖仍呈現(xiàn)與30%開度相同的趨勢，但是變化則相對不大。

從圖中可以看到，當(dāng)流體流至閥頭與閥座之間時，流通面積迅速減小，此處的壓力也迅速降低，流過閥座后，壓力有所回升。根據(jù)壓力云圖看，不同內(nèi)腔半徑的閥體壓力分布差別不大。

表1 入口壓力 /Pa

圖5 壓力云圖(30%開度)

圖6 壓力云圖(50%開度)

2.3.3流場速度分析

30%開度和50%開度下4個內(nèi)腔半徑的閥體在節(jié)流口處的速度矢量圖分別見圖7和圖8。從圖中可以看到，隨著內(nèi)腔半徑的增加，閥座處流體的側(cè)沖存在一定程度的改善，出口處的渦流也有所減小，但是尚未達(dá)到理想的結(jié)果。結(jié)合流線圖分析可知，在不改變結(jié)構(gòu)的前提下，僅增大內(nèi)腔的半徑對于閥體，尤其是在小開度下流體的流動具有改善結(jié)果，但是半徑的增加會導(dǎo)致生產(chǎn)成本的大幅提高，因此，在實際中應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)成本適當(dāng)增加內(nèi)腔半徑。

提取速度云圖中不同內(nèi)腔半徑下的節(jié)流口處最大速度，得到的結(jié)果見表2。從表2中可以看到，對于小開度(30%)下的閥體，隨著內(nèi)腔半徑的增加，節(jié)流口處的最大速度則呈下降趨勢。而當(dāng)開度達(dá)到50%時，由于節(jié)流口處流通面積的增加，節(jié)流口處的最大速度雖仍呈現(xiàn)與30%開度相同的趨勢，但是變化則相對不大。節(jié)流口處的最大速度越小，則表明流體對閥芯和閥座的沖刷作用越小，從這方面來說，增加內(nèi)腔半徑可以增加閥芯和閥座(尤其是在小開度下)的使用壽命。

圖7 30%開度下對稱面節(jié)流口處速度矢量圖

圖8 50%開度下對稱面節(jié)流口處速度矢量圖

表2 節(jié)流口處最大速度 m/s

50%開度下腔體中心水平截面處的速度矢量見圖9。從圖9中可以看到，閥桿的背面形成有兩個對稱的旋渦。結(jié)合對稱截面的速度矢量圖可知，流體從入口段進(jìn)入閥體內(nèi)，流經(jīng)閥桿后，在閥桿的另一段螺旋下降。且對比不同腔體半徑，可以看到隨著半徑的增加，旋渦逐漸擴(kuò)大。

圖9 腔體中心水平截面處速度矢量圖

3 結(jié)語

本文通過對不同內(nèi)腔半徑下的黑水閥進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得到以下結(jié)論。

(1)隨著內(nèi)腔半徑的增加，右側(cè)的球形閥體處流體流動增加，且進(jìn)入閥座后的流線也相對更加均勻。

(2)對比具有不同內(nèi)腔半徑的閥體的壓力云圖可知，壓力分布差別不大。

(3)隨著內(nèi)腔半徑的增加，節(jié)流口處的最大速度呈下降趨勢，從而使得流體對閥芯和閥座的沖刷作用減小，且在小開度下規(guī)律更為明顯。

(4)在不改變結(jié)構(gòu)的前提下，僅增大內(nèi)腔的半徑對于閥體(尤其是在小開度下)流體的流動具有一定的改善結(jié)果，但是半徑的增加會導(dǎo)致生產(chǎn)成本的大幅提高，在實際中應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)成本合理增加內(nèi)腔半徑。