基于CFD數值仿真的噴射脈沖清潔角閥噴吹量計算方法

劉 堯，楊軍社

(西安航天遠征流體控制股份有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

噴射脈沖清潔角閥是一種廣泛應用于煤化工、多晶硅及精細化工行業中專為過濾系統設計的快開脈沖波紋管截止閥。閥門通常安裝在過濾器頂端，工作時，閥門快速打開和快速關閉產生脈沖氣流，反向吹除安裝在過濾器內部濾芯上的雜質，保證過濾器內濾芯壓差在一定的范圍之內正常工作。脈沖反吹角閥的工況噴吹量指在工況溫度、工況壓力和工況介質條件下，閥門動作一次流經閥門的氣體質量或氣體體積(行業內一般指氣體體積)。脈沖角閥的噴吹量直接影響過濾器的壓差，因此過濾系統設計之前，需要準確估算閥門的單次噴吹量[1]。針對某種特定閥門，若噴吹量估算過小，會導致設計中壓縮機功率選型過小，實際工況中上游系統給閥門供氣不足，壓縮機超負荷運行；若噴吹量值估算過大，會導致設計中濾芯有效過濾面積較大，實際工況中導致濾芯表面的雜質無法被有效吹除，濾芯被堵塞甚至損壞，濾芯兩側壓差無法保證，造成系統故障。因此，精確計算閥門在工況下噴吹量對反吹系統的設計至關重要。另外，針對過濾系統，若能提高單臺閥門的噴吹量，則可減少閥門的應用數量，節省成本。

目前國內對于布袋除塵用脈沖反吹角閥噴吹性能研究較成熟。文獻[2]針對布袋除塵用脈沖反吹角閥在低壓0.9 MPa，實驗室溫度20 ℃下的噴吹量測試搭建了試驗系統,可精確測試出閥門在低壓、室溫狀態下的噴吹量。文獻[3]利用試驗法，測得1 MPa以下、室溫環境中壓縮空氣的噴吹量。文獻[4]利用試驗法獲得脈沖閥的噴吹量，但布袋除塵脈沖閥工況環境均為常溫、1 MPa壓力以下，搭建試驗系統容易實現。而對于工業環境用高溫、高壓噴射脈沖清潔角閥，試驗室難以搭建滿足其工況要求的測試系統。針對噴射脈沖清潔角閥多工作于高溫高壓工業環境中，設計閥門的關鍵參數噴吹量和流動性能難以通過實驗室模擬測量，以及傳統理論計算誤差較大的問題，提出了基于CFD數值仿真的噴射脈沖清潔角閥噴吹量及流動性能分析方法。

1 計算原理

本文所選用計算模型為應用在化工領域的某型號閥門，其特殊高溫、高壓工業應用環境詳細技術參數：閥門規格為DN50，工況介質為H2、氯硅烷，閥前壓力P1=3.0 MPa，閥后壓力p2=2.5 MPa，工況溫度T=448 K，介質密度ρ=2.13 kg/m3，介質粘度為0.12 cP，閥門打開時間t打開=92 ms，閥門關閉時間t關閉=76 ms，閥門完全打開時間t完全打開=82 ms。閥門的打開時間指閥門從關閉狀態到最大行程狀態消耗的時間；閥門的關閉時間指閥門從最大行程狀態到閥門完全關閉狀態消耗的時間；完全打開時間指閥門處于最大行程狀態下的保持時間。

噴射脈沖清潔角閥在打開和關閉過程中，開啟高度不同，每個瞬間的體積流量均不同。但是閥門動作速度快，打開時間小于100 ms，關閉時間小于100 ms，在中間開度下均為瞬態值，因此僅計算閥門在完全打開狀態下的體積流量，將閥門打開時間和關閉時間總和的一半近似看為閥門處于全開狀態。得到反吹角閥單次噴吹量計算公式為：

Q總=Q全開×t全開

(1)

本文計算模型閥門外形圖見1，全開狀態的內部結構見圖2。

圖1 閥門外形圖Fig.1 Valve outline drawing

圖2 閥門全開狀態內部結構圖Fig.2 Internal structure of valve in full open state

2 理論計算方法

實際工程設計中，閥門的體積流量理論計算方法為：應用閥門在實驗室全開狀態下測試得到的流阻系數反推出閥門在工況全開狀態下的平均流速，根據平均流速計算閥門在全開狀態下的體積流量求得閥門動作一次的噴吹量。具體計算過程，閥門在全開狀態下的平均流速計算公式[5]如下：

(2)

(3)

式(2)、式(3)中，v平均為工況閥門全開狀態下平均流速；Δp為工況下閥門前后壓差，Δp=p1-p2；k為流阻系數；ρ為工況下閥門的密度；D為閥門流通直徑。

經過理論計算，閥門工況噴吹量為：690.02 Nm3。

3 基于CFD數值仿真計算

CFD數值仿真計算方法為根據閥門實際工作參數，用數值仿真的方法計算出閥門在完全打開狀態的質量流量，根據閥門完全打開狀態下的流量值計算閥門工況下動作一次的噴吹量。主要流程為UG三維建模、抽取流道、ICEM劃分網格、Fluent流場仿真、CFD-POST后處理。

3.1 建立仿真模型及劃分網格

用UG軟件構建反吹角閥閥體部分三維模型并進行優化：1)優化波紋管部分結構，波紋管部分的流動基本處于滯止狀態，對閥門內部流道的流動性能幾乎無影響，但波紋管波紋部分曲面尺寸小、網格劃分數量多，為了提高計算效率及計算精度將波紋管部分簡化為直管段；2)優化進、出口結構，閥體內部結構不規則，流體在流道內流動復雜，不穩定，極易出現渦流、回流現象，工業應用中閥門出、入口均設有直管段，為了使模擬狀態接近工業應用，計算結果更精確，采用延長閥門出入口相對長度使閥門進、出口的流體充分流動，延長距離為6D。原始三維模型見圖3，優化后三維模型見圖4。

圖3 原始三維模型Fig.3 Original 3D model

圖4 優化后三維模型Fig.4 Optimized 3D model

抽取優化后的閥體三維模型內部流道，圖5為閥門內部流道三維模型。采用ICEM軟件對內部流道模型進行劃分網格，采用非結構化四面體網格。為提高計算精度，對閥芯、閥蓋、密封填料等影響流動性能的關鍵部位處網格進行了加密，流道模型所有壁面設置邊界層，并采用自適應的網格技術對網格進行優化，優化后的網格總數量為220萬。圖6為閥門全流道網格模型。

圖5 閥門流道三維模型Fig.5 3D model of valve

圖6 閥門全流道網格劃分Fig.6 Mesh of valveflow channel

3.2 邊界條件及計算模型設置

將上述網格模型導入Fluent中。已知工業應用中，快開波紋管脈沖閥內介質雷諾數Re>2 500，流動方式為湍流。湍流模型選擇Standardk-ξ，SKE模型對閥門類封閉腔內邊界層、低雷諾數的模擬較精確[6-8]。介質模型為實際氣體，自定義混合氣體，介質為氫氣和氯硅烷，設置介質的密度、粘度等參數。邊界條件設置：入口壓力3 MPa，出口壓力2.5 MPa，其余設置為Wall，壁面設置為無滑移的固體壁面；近壁面采用標準的壁面函數法，設置求解基于壓力的穩態求解器，并采用SIMPLE算法對流場進行數值求解；收斂殘差定義為0.000 01。

3.3 流動性能分析

閥門內部的流動性直接影響其噴吹性能。分析閥門內部流場，閥門在全開狀態下沿流動方向中心截面處流道速度分布云圖如圖7。與假設類似，氣體在波紋管處流動處于滯止狀態，氣體從閥門入口至直角拐彎前，近似于直管道流動，流動均勻；氣體流經閥芯拐彎流過閥座及閥座導向結構，流速突然增大；經閥座導向后流道變為直管段，流動又趨于均勻。

圖7 閥門全流道速度云圖Fig.7 Fow velocity nephogram of valve

閥門核心流道區域流速矢量圖如圖8所示。流體流經閥芯后發生轉捩、分離，在圖8圓圈標記部位產生漩渦，漩渦發生位置分別為閥芯右側表面凹槽區域處、閥座導向支撐筋右側區域、鎖緊螺母右側區域，漩渦區的存在加大了主流區的能量損失。在結構設計中應避免閥芯處凹槽結構，更改閥座導向結構，避免閥座導向支撐筋等結構設置在與流體運動方向垂直的位置，降低能量損失，提高閥門的噴吹性。

圖8 閥芯處流速矢量Fig.8 Vlocity vector of valve spool

閥座導向支撐筋處橫截面速度云圖如圖9所示，閥座導向套處橫截面速度云圖如圖10所示，鎖緊螺母處橫截面速度云圖如圖11所示。氣體流經閥芯后，在流動主區域中心均存在流體局部流速過大現象。分析原因為流道突然變窄導致流速突然增大，流速增大對閥座、閥芯、螺母作用的沖擊力也增大，流阻增大，能量損失增大，閥門的噴吹性能降低。因此，在結構設計中，應避免流道突然變窄結構，優化閥芯、閥座導向結構，使流道過渡盡量圓滑，減少流體阻力，提高閥門的噴吹性能。

圖9 閥座導向支撐筋處橫截面速度圖Fig.9 Velocity nephogram of valve seat guide support rib cross section

圖10 導向套處橫截面速度云圖Fig.10 Velocity nephogram of guide sleeve cross section

圖11 鎖緊螺母處橫截面速度云圖Fig.11 Velocity nephogram of lock nut cross section

3.4 噴吹量計算結果

在Fluent中設置Report Fluxes，選擇閥門進口截面和出口截面，經計算，閥門出、入口質量平衡，質量流量為0.43 kg/s。可得閥門實際噴吹量為631.27 Nm3。

現場工況下測得閥門實際噴吹量為598.61 Nm3，傳統理論計算閥門工況噴吹量為690.02 Nm3，與工業實測值相差15.27%。數值仿真計算閥門工況噴吹量為631.27 Nm3，與工況實測值相差5.45%。

4 結論

本文提出了基于CFD數值仿真的噴射脈沖清潔角閥噴吹量計算方法。該方法首先建立噴射脈沖清潔角閥內部流道三維模型，然后劃分網格加載模擬工況環境，利用CFD數值仿真分析閥門在工業特殊環境中的流動性能，最后計算得到閥門噴吹量。仿真結果表明，該方法能夠模擬噴射脈沖清潔角閥在工業特殊環境下的流動性能，計算閥門噴吹量。實際運行結果表明，該方法相比傳統理論計算方法精確度提高了9.8%，可以有效地分析閥門流道的流動情況，為閥門提高噴吹量的結構優化設計提供理論指導。