煤氣化核心調(diào)節(jié)閥的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　該文以航天煤化工系統(tǒng)中的某型號籠式調(diào)節(jié)閥為研究對象，應(yīng)用CFD數(shù)值模擬方法研究了調(diào)節(jié)閥的內(nèi)流場特性。通過模擬給定壓差下閥門不同開度的流量特性，得到調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線，并與試驗測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，模擬值與試驗值吻合較好。根據(jù)流場特性對流道做了優(yōu)化并對新結(jié)構(gòu)做了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，優(yōu)化后的流道流阻減小、渦流強度減弱、進(jìn)而減少了能量損失。

引言

　　調(diào)節(jié)閥又稱為控制閥，是過程控制系統(tǒng)中用動力操作去改變流體流量的裝置，隨著自動化程度的不斷提高，調(diào)節(jié)閥已廣泛地應(yīng)用于冶金、電力、化工、石油等領(lǐng)域。在化工生產(chǎn)過程中，一個工藝過程的控制是否平穩(wěn)，超調(diào)量、衰減比，擾動是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，除了工藝設(shè)計合理、設(shè)備先進(jìn)外，重要的一點就是調(diào)節(jié)閥能否按照主體控制意識準(zhǔn)確動作，從而精確地改變物料或能量。如果調(diào)節(jié)閥的流量特性差、滲漏大、動作不可靠，就會使自動控制過程的質(zhì)量變差，甚至失去調(diào)節(jié)作用，從而增加了勞動強度，給生產(chǎn)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。而航天煤化工系統(tǒng)中的主氧路氧氣調(diào)節(jié)閥，系統(tǒng)對其調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，可靠性及靈敏度有著更高的要求。因此，調(diào)節(jié)閥性能的提高對流程工藝效益的提高以及能源消耗的降低有著重要作用。近年來，隨著計算流體動力學(xué)(簡稱CFD)軟件的發(fā)展，通過CFD數(shù)值模擬來研究調(diào)節(jié)閥的流量特性并用來優(yōu)化設(shè)計方案在閥門行業(yè)已開始應(yīng)用。CFD技術(shù)在閥門設(shè)計中的應(yīng)用使得閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計更趨于合理，更有助于我國閥門行業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品，加快縮小與國外差距的步伐。

1、調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及流道模型的建立

　　文中以航天煤化工系統(tǒng)中的主氧路氧氣調(diào)節(jié)閥為研究對象，其為籠式單座調(diào)節(jié)閥。該模型簡化后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，公稱通徑為80mm，總長為337mm。流體的流動方向為右進(jìn)左出，通過調(diào)節(jié)閥芯的行程，來改變閥籠的流通面積，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。利用三維建模軟件Solidworks，根據(jù)流道的幾何尺寸以及閥芯與閥座的裝配關(guān)系，對不同開度下的流體流道分別進(jìn)行三維建模，為使流體流動更充分，閥前后流道均延長1000mm。圖2所示為該調(diào)節(jié)閥流體流道的三維模型。

圖1 調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2 調(diào)節(jié)閥流道三維模型圖

2、數(shù)學(xué)模型

　　2.1、控制方程

　　研究過程中合理假定調(diào)節(jié)閥內(nèi)流體介質(zhì)為不可壓縮的黏性流體。無熱能交換，不可壓縮黏性流體控制方程由質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)和動量守恒方程(N-S方程)組成，分別為：

　　質(zhì)量守恒方程：

(1)

　　其中，u，v，w 分別是三個方向的速度矢量。

　　動量守恒方程(N-S 方程) ：

(2)

(3)

(4)

　　其中，p，ρ，μ分別是壓力、密度、動力黏度。

　　2.2、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型

　　研究過程中湍流模型設(shè)定為工程中廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

　　在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，紊流動能k方程和耗散ε方程分別為：(5) (6) 在上述方程中，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生;Gb是用于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生;YM為可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響;湍流粘性系數(shù) ;C1ε，C2ε為常數(shù)。

3、數(shù)值模擬

　　將三維幾何模型導(dǎo)入GAMBIT進(jìn)行計算前的處理工作。確定了計算域之后，用GAMBIT對其進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，流道網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，劃分后網(wǎng)格數(shù)為100萬左右。其中，調(diào)節(jié)閥開度為90%的流道網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 調(diào)節(jié)閥開度90%時的流道網(wǎng)格劃分示意圖

　　選取該調(diào)節(jié)閥從10%～90% 到全開十個開度進(jìn)行數(shù)值模擬。

　　將GAMBIT導(dǎo)出的網(wǎng)格文件讀入FLUENT后，選擇求解器，求解方程及模型(選用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型)，設(shè)置流體為水，設(shè)置進(jìn)出口的邊界條件分別為：入口壓力p1=100kPa，出口壓力p2=0kPa。進(jìn)行流場初始化，設(shè)定控制參數(shù)及定義迭代次數(shù)后就可以進(jìn)行求解。

4、結(jié)果分析

　　4.1、不同開度下流量特性模擬數(shù)據(jù)與液流試驗臺試驗數(shù)據(jù)對比分析

　　流量特性是指介質(zhì)流過閥門的相對流量與相對開度的關(guān)系。調(diào)節(jié)閥的流量特性是調(diào)節(jié)閥最重要的指標(biāo)之一，在閥前后壓差不變時得到的是理想流量特性。流量系數(shù)為Kv，定義為：

(7)

　　式中：Q為流量，m3/h;Δp為閥前后壓差，kPa;ρ/ρ0為相對密度(規(guī)定范圍內(nèi)的水ρ/ρ0 =1)。

　　取閥前后壓差為100kPa，由流量系數(shù)定義式可以推算出該壓差下Kv=Q。將模擬所得的流量系數(shù)與通過液流試驗臺實際測量值進(jìn)行對比(表1)，并將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合如圖4所示。從圖4可以看出，數(shù)值模擬曲線和實際測量值曲線基本吻合，趨勢基本一致。通過比較，可以看出通過模擬所得的該調(diào)節(jié)閥的流量特性是可靠的，為調(diào)節(jié)閥的流道優(yōu)化提供了依據(jù)。

表1 調(diào)節(jié)閥不同開度下流量模擬值與實測值數(shù)據(jù)表

　　據(jù)此，在產(chǎn)品方案的設(shè)計初期，可以運用數(shù)值模擬進(jìn)行設(shè)計方案預(yù)選，進(jìn)行調(diào)節(jié)閥從關(guān)閉到全開啟范圍的三維真實工作參數(shù)和介質(zhì)的模擬，提供全面完整的流場信息，為改善閥門穩(wěn)定性提供參考。后期待產(chǎn)品設(shè)計完成再輔以少量試驗來校核確定方案，從而避免帶有盲目性的大量試驗。

圖4 調(diào)節(jié)閥流量特性模擬值與實測值對比曲線

　　運用CFD數(shù)值模擬方法進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計，比以往設(shè)計過程(參見圖5所示流程圖) 更自由、更靈活，而且可以節(jié)約大量的人力和資金，大大提高研發(fā)設(shè)計效率。運用數(shù)值模擬方法還能對試驗難以量測的量進(jìn)行較為精確的估計，提供試驗無法獲得的數(shù)據(jù)，并能模擬較復(fù)雜或較理想的工況，拓寬試驗研究的范圍。

圖5 調(diào)節(jié)閥傳統(tǒng)設(shè)計過程流程圖

　　4.2、不同開度下流場分析

　　由于該調(diào)節(jié)閥的固有流量特性為等百分比，主要工作區(qū)間為開度10%～90%，本文選取40%和90%兩個典型開度進(jìn)行重點分析。

　　在進(jìn)出口壓差為100kPa條件下，取該調(diào)節(jié)閥的全部流道和對稱面進(jìn)行分析，研究其內(nèi)部的流場分布情況。

　　1)開度90%時流場分析

　　圖6為對稱面上壓力云圖，圖7為對稱面上速度矢量圖。

圖6 調(diào)節(jié)閥開度90%時對稱面上壓力云圖

圖7 調(diào)節(jié)閥開度90%時對稱面上速度矢量圖

　　從圖6可以看出，進(jìn)、出口壓力較為均勻，分別在100kPa和0左右，進(jìn)出口壓差較大，該壓差主要用于克服調(diào)節(jié)閥流道內(nèi)的阻力。在水流經(jīng)過閥芯處有減壓增速的效果。從圖7中可以看出，進(jìn)口流速比較均勻，出口流速分布不均勻�？傮w看沒有很明顯的渦流，只是在閥道左下部(見圖7)，有小部分渦動，可以考慮對此處流道進(jìn)行優(yōu)化。

　　2) 開度40%時流場分析

　　圖8為調(diào)節(jié)閥開度40%時對稱面上的壓力云圖，圖9為開度40%時對稱面上速度矢量圖。

圖8 調(diào)節(jié)閥開度40%時壓力云圖

圖9 調(diào)節(jié)閥開度數(shù)0%時對稱面上速度矢量圖

　　從圖8，圖9可以看出，與90%開度時類似，40%開度下在水流經(jīng)過閥芯處有減壓增速效果，但90%開度時閥芯處水流速度的變化更加明顯，高速流區(qū)域更大;相比90%開度時，在40%開度下，由于閥芯處過流面積較小，減壓增速所涉及的流域小，因此速度強烈波動影響的范圍相對較小，并且在出口處流速更趨于均勻。由于開度減小，進(jìn)口和出口處的流速相對有所減小。

　　在40%開度下，在閥道左上部、右上部和右下部以及閥芯處有明顯渦流出現(xiàn)。渦流的出現(xiàn)會消耗流體的能量，增大阻力系數(shù)。因此，要對出現(xiàn)渦流處的流道進(jìn)行優(yōu)化，以減少或進(jìn)一步避免漩渦產(chǎn)生，減少能量損耗，提高流量系數(shù)。

5、調(diào)節(jié)閥流道改進(jìn)優(yōu)化

　　在閥門流道內(nèi)產(chǎn)生的漩渦形成劇烈紊動的分離回流區(qū)是水頭損失的主要原因。前文中對該閥體內(nèi)流場數(shù)值模擬的結(jié)果表明該流道有待優(yōu)化。流道中漩渦出現(xiàn)的部位需進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，使介質(zhì)進(jìn)入閥體后流線圓滑，并且在拐彎處適當(dāng)減速，盡量避免折流。流道改進(jìn)后的調(diào)節(jié)閥模型如圖10所示。

圖10 流道改進(jìn)后的調(diào)節(jié)閥模型

　　5.1 優(yōu)化后不同開度下流量特性模擬數(shù)據(jù)與液流試驗數(shù)據(jù)對比分析

　　仍以進(jìn)出口壓差為100kPa為條件，對改進(jìn)后調(diào)節(jié)閥從10%～30%到全開等10個開度進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬所得的流量系數(shù)與通過液流試驗臺實際測量值進(jìn)行對比，如表2所示，將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合如圖11所示。從圖11可以看出，數(shù)值模擬曲線和實際測量值曲線吻合較好。

表2 調(diào)節(jié)閥優(yōu)化后不同開度下流量模擬值與實測值數(shù)據(jù)表

圖11 優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥流量特性模擬值與實測值對比曲線

　　5.2 優(yōu)化前后流場特性對比

　　圖12所示為調(diào)節(jié)閥流道優(yōu)化前后流量系數(shù)實測值對比，圖13所示為40%開度下，優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥的對稱面速度矢量圖。

圖12 流道優(yōu)化前后實測值對比

　　由圖12擬合曲線可以看出經(jīng)優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)有了提高。將圖13與圖9進(jìn)行對比可以明顯看出優(yōu)化后流道左上部的渦流強度減弱了很多，流道右上部渦流也有減弱。但由于結(jié)構(gòu)的限制，對該閥體流道沒有做大的改動，后續(xù)可以設(shè)計流線型的閥體流道，從而使閥門的流阻更小。

圖13 改進(jìn)后調(diào)節(jié)閥開度40%時對稱面速度矢量圖

　　上述結(jié)果表明，增大閥門流動死角處的過渡圓角，可降低產(chǎn)生漩渦的可能性，并且能夠使流場內(nèi)的壓力速度分布更趨于均勻，而且，閥芯處劇烈的減壓增速區(qū)域明顯后移，降低了流體對閥芯的沖蝕�？梢�，對閥門流道模型的數(shù)值模擬分析，可以方便地找出流道的不足之處并能有效的進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，使閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計更趨于合理。

6、結(jié)論

　　(1)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的模擬值和試驗值吻合較好，表明CFD完全適用于調(diào)節(jié)閥的流場分析;

　　(2)通過數(shù)值模擬，得到了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體的流動情況： 速度場分布、壓力場分布、流線走向、渦流等。調(diào)節(jié)閥傳統(tǒng)設(shè)計理念是先初步設(shè)計出樣品，通過5至6次的液流試驗的結(jié)果，對閥門的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行反復(fù)修正，最終得出合理的閥門流量曲線，實現(xiàn)產(chǎn)品定型; 而基于CFD的調(diào)節(jié)閥輔助設(shè)計方法，改變了傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥設(shè)計理念，經(jīng)過CFD優(yōu)化后的產(chǎn)品只需通過1至2次液流試驗作為對設(shè)計的驗證，就能實現(xiàn)產(chǎn)品的定型，從而大幅度縮短設(shè)計周期，節(jié)省成本。綜上所述，基于CFD的調(diào)節(jié)閥輔助設(shè)計方法，在突破國外產(chǎn)品在高壓氧氣調(diào)節(jié)閥的壟斷方面，發(fā)揮了重要作用。

　　應(yīng)用這種先進(jìn)理念研發(fā)設(shè)計出的3″主氧路氧氣調(diào)節(jié)閥已經(jīng)在魯西化工等煤化工生產(chǎn)線上使用，調(diào)節(jié)開度在30%-60% ，流量調(diào)節(jié)精確穩(wěn)定，產(chǎn)品性能達(dá)到世界一流水平，能夠完全替代進(jìn)口產(chǎn)品，填補了當(dāng)前國內(nèi)氧路調(diào)節(jié)閥的空白。