摘 要：介紹了一種煤化工專用黑水閥的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并提出進(jìn)行該型號(hào)閥門流通性能研究的重要性。建立流道三維模型，應(yīng)用CFD有限元分析軟件，模擬黑水閥內(nèi)部流場(chǎng)分布情況，分析可視化結(jié)果，確定閥座/閥芯易損位置。分別對(duì)不同閥座漸擴(kuò)角時(shí)模型進(jìn)行仿真模擬，得到閥門進(jìn)、出口壓力值，并依此計(jì)算Cv值大小，擬合流量系數(shù)曲線，提出閥門在實(shí)現(xiàn)最大介質(zhì)流通時(shí)閥座漸擴(kuò)角范圍，為閥門設(shè)計(jì)提供重要的理論參考。

關(guān)鍵字：黑水閥 閥座 漸擴(kuò)角 流阻 Cv值

0 引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)能源的需求也日益提升，因此也促進(jìn)了煤化工行業(yè)的大力發(fā)展。其中，黑水閥作為原料加壓輸送、氣化爐進(jìn)料反應(yīng)等工藝過程中的關(guān)鍵控制設(shè)備，起著調(diào)節(jié)介質(zhì)壓力和流量大小的作用，但由于其特殊的介質(zhì)控制（煤渣水）使得閥門故障的發(fā)生成為常態(tài)化。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間對(duì)閥門運(yùn)行工況的研究，研發(fā)人員找到了能延長(zhǎng)黑水閥使用壽命的方法，即：提高閥內(nèi)件材料硬度（如，閥芯/閥座采用燒結(jié)WC材料等）。這一舉措，大大改變了黑水閥在煤化工行業(yè)中易損的現(xiàn)狀，也為企業(yè)節(jié)省了費(fèi)用。但對(duì)于黑水閥的介質(zhì)流通性能，目前主要通過流量實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定，由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有別于普通的單座角型閥，因此也不能將其他型號(hào)的閥門參數(shù)完全套用。

眾所周知，流量系數(shù)是進(jìn)行閥門選型與設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，主要反映閥門的流通能力。但由于黑水閥規(guī)格較多，流量試驗(yàn)需耗費(fèi)大量人力，并且長(zhǎng)時(shí)間占用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，故而，閥門設(shè)計(jì)人員多采用理論計(jì)算或預(yù)估的方法確定，這也在一定程度上影響了該項(xiàng)指標(biāo)的準(zhǔn)確性。依據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，閥門的流通能力與其流阻成反比，而單座閥的阻力損失主要來自于閥座，其大小約占總阻力損失的85%以上。因此，進(jìn)行黑水閥流通性能的確定關(guān)鍵在于研究其閥座的流通性能。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用、程序軟件的迅速發(fā)展，研發(fā)人員開始采用CFD仿真模擬的方法進(jìn)行閥門理論研究。經(jīng)驗(yàn)證明，該方法能較為準(zhǔn)確的模擬閥門內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)情況，并得到可視化結(jié)果，給新產(chǎn)品研發(fā)帶來極大便利。因此，通過CFD模擬方法進(jìn)行黑水閥閥座流通性研究，是一條的重要可行性途徑。

1 閥門結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

如圖1所示，是由本公司自主研發(fā)的黑水閥結(jié)構(gòu)示意圖，該閥主要由：1.連接法蘭；2.閥座；3.閥芯部件；4.閥體；5.上閥蓋；6.填料部件等零部件組成。高壓黑水介質(zhì)從左端流入，連接法蘭底部流出。執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥芯上下動(dòng)作，從而改變閥芯和閥座間隙，調(diào)節(jié)介質(zhì)流量大小。其中，閥芯頭可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝需要設(shè)計(jì)成具有對(duì)數(shù)或線性流量特性的曲面，從而實(shí)現(xiàn)流量的精確調(diào)節(jié)。為提高閥門流通能力，采用文丘里加速原理將閥座流道加工成一定角度的錐面，并由連接法蘭通過螺栓固定在閥體內(nèi)臺(tái)階上，拆卸方便。另外，連接法蘭的出口端直徑可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝管道布置確定，實(shí)現(xiàn)管道變徑，其內(nèi)部流道也設(shè)計(jì)成錐面，進(jìn)一步提高介質(zhì)的流通性。

圖1 黑水閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 閥門內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

2.1 閥門內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

黑水閥是一種典型的角型調(diào)節(jié)閥，閥門進(jìn)出口存在位置落差，因此勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，其大小值主要決定于閥門縱向法蘭距尺寸。另外，介質(zhì)在流動(dòng)過程中，介質(zhì)間內(nèi)摩擦、介質(zhì)與管道壁面摩擦、以及流體誘發(fā)振動(dòng)等必將產(chǎn)生一定的能量損耗。因此，為了突出閥座的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)整個(gè)閥門流通性的影響，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)作以下假設(shè)：

（1）假定閥門內(nèi)介質(zhì)不受重力作用，即忽略位置勢(shì)能損耗。

（2）忽略部分沿程能量損失，如振動(dòng)等。

（3）閥體內(nèi)介質(zhì)選用水，忽略固體雜質(zhì)對(duì)流場(chǎng)的影響。

采用Solidworks三維建模軟件，進(jìn)行調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道三維建模，并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T17213.9-2005關(guān)于閥門流通能力測(cè)試》中相關(guān)規(guī)定確定測(cè)壓間距。

為了保證計(jì)算精度，采用以結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格相結(jié)合的劃分方法生成網(wǎng)格。流道兩端的直管段網(wǎng)格采用Hex（六面體）網(wǎng)格進(jìn)行劃分，中間閥體通道因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不規(guī)整，因此采用Tet/Hybrid（四面體/混合）網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并且為了計(jì)算結(jié)果更加精確，對(duì)節(jié)流間隙位置的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。由于計(jì)算模型具有對(duì)稱性，故取二分之一模型進(jìn)行計(jì)算，以減少網(wǎng)格數(shù)目、節(jié)省計(jì)算時(shí)間。以連續(xù)性方程、三維雷諾平均N–S方程和基于各向同性渦粘性理論的k–ε雙方程組成黑水閥內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬的控制方程組；采用有限體積法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散；流體壓力-速度耦合基于SIMPLE算法；入口采用Velocity邊界，出口采用Pressure邊界；在湍流指定方法中，選擇以設(shè)定湍流強(qiáng)度和水力直徑；對(duì)流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)，迭代收斂精度為質(zhì)量源絕對(duì)值之和小于1.0×10^-4。

本次模擬采用進(jìn)口為DN50，出口為DN80的黑水閥模型，設(shè)置進(jìn)口流速5m/s，出口壓力為0.1Mpa，介質(zhì)為常溫水。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

（1）壓力場(chǎng)

圖2 漸擴(kuò)角為9°時(shí)Z=0截面壓力分布云圖（Pa）

（2）速度場(chǎng)

圖3 漸擴(kuò)角為9°時(shí)Z=0截面速度分布云圖（m/s）

由圖2可以看出，介質(zhì)在閥座與閥芯形成的環(huán)形間隙位置產(chǎn)生閥內(nèi)最低壓力，且該處流速達(dá)到最大（如圖3所示）。因此，含有煤渣的高速介質(zhì)流經(jīng)時(shí)將在該位置發(fā)生最初的沖蝕。并且一旦該處的介質(zhì)壓力低于介質(zhì)的飽和蒸汽壓，則會(huì)發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，將對(duì)零件造成更為嚴(yán)重的破壞。另外，從圖中也可以看出，介質(zhì)的壓力和流速變化梯度在節(jié)流間隙較為突出，而隨著介質(zhì)向下流動(dòng)，變化梯度逐漸趨于緩和。

（3）速度矢量分析

圖4 漸擴(kuò)角為9°時(shí)Z=0截面局部速度矢量圖（m/s）

由圖4可以看出，介質(zhì)流經(jīng)節(jié)流間隙后在閥座漸擴(kuò)流道內(nèi)迅速擴(kuò)張，形成擴(kuò)管效應(yīng)（介質(zhì)流向改變，流速逐漸降低）。另外，由于流道形狀的作用，使得整個(gè)介質(zhì)主流路呈現(xiàn)“Y”型流動(dòng)，并且流動(dòng)方向一致，未出現(xiàn)回流現(xiàn)象。

2.3 不同閥座漸擴(kuò)角時(shí)閥門壓力變化情況

分別建立閥座漸擴(kuò)角為0°、3°、6°......27°時(shí)三維模型，經(jīng)網(wǎng)格劃分，數(shù)值模擬，得到計(jì)算結(jié)果。

如圖5所示，是閥座漸擴(kuò)角為27°時(shí)Z=0截面局部速度矢量圖，從圖上可以看出，介質(zhì)在閥座主流路兩側(cè)形成了強(qiáng)烈回旋流，干擾流體的正常運(yùn)動(dòng)，“占用”主流路空間，并在邊界位置產(chǎn)生撞擊、分離脫流等現(xiàn)象，帶來了附加阻力，從而增加了能量損失。

圖5 漸擴(kuò)角為27°時(shí)Z=0截面局部速度矢量圖（m/s）

不同閥座漸擴(kuò)角時(shí)，閥門進(jìn)口和出口截面壓力值分別如表1、表2所示：

表1 不同閥座漸擴(kuò)角時(shí)閥門進(jìn)口截面壓力值表

單位：Pa

表2 不同閥座漸擴(kuò)角時(shí)閥門出口截面壓力值表

單位：Pa

分析表1和表2中數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

（1）不同閥座漸擴(kuò)角時(shí)，閥門進(jìn)口動(dòng)壓、出口總壓/靜壓/動(dòng)壓值基本保持不變。

（2）進(jìn)口和出口的各項(xiàng)壓力均滿足關(guān)系式：總壓=靜壓+動(dòng)壓，即符合伯努利方程：

式中：Z₁、Z₂為進(jìn)口、出口位置水頭；為進(jìn)口、出口壓強(qiáng)水頭（靜壓）； 為進(jìn)口、出口流速水頭（動(dòng)壓）；hL為沿程損失。（注：按照黑水閥流場(chǎng)模擬邊界假定條件，忽略位置水頭和沿程損失項(xiàng)。）

以上結(jié)論的得到，主要決定于邊界條件的設(shè)定，即：速度進(jìn)口和壓力出口（靜壓）。由表1數(shù)據(jù)可知，隨著漸擴(kuò)角的增大，進(jìn)口靜壓發(fā)生變化。當(dāng)閥座漸擴(kuò)角為0°時(shí)（即直管型閥座），閥門進(jìn)口靜壓最大，為222623Pa；逐漸增大至9°時(shí)，靜壓降至最小，為197120Pa；當(dāng)繼續(xù)增加漸擴(kuò)角時(shí)，靜壓又逐漸增大。這表明，隨著閥座漸擴(kuò)角的增大，文丘里效應(yīng)逐漸凸顯，流阻降低；當(dāng)角度增加到一定值時(shí)，開始出現(xiàn)突擴(kuò)管效應(yīng)，流阻又逐漸增加。

2.4 不同閥座漸擴(kuò)角時(shí)閥門Cv值曲線擬合

依據(jù)表1、表2中的數(shù)據(jù)，并按《GB/T4213-2008氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》中關(guān)于閥門流量系數(shù)的計(jì)算公式，計(jì)算出不同閥座漸擴(kuò)角時(shí)閥門Cv值，結(jié)果如表3所示。

表3 不同閥座漸擴(kuò)角時(shí)閥門Cv值表

進(jìn)行不同閥座漸擴(kuò)角時(shí)閥門Cv值曲線擬合，如圖6所示：

圖6 不同閥座漸擴(kuò)角時(shí)閥門Cv值曲線

從圖6可以看出，閥座漸擴(kuò)角為0°時(shí)（即直管型閥座），閥門Cv值最小，為34.9；當(dāng)漸擴(kuò)角逐漸增大至9°時(shí)，Cv值達(dá)到最大值，為41.4；繼續(xù)增加閥座漸擴(kuò)角，Cv值則逐漸下降。并且，閥座漸擴(kuò)角在0°-9°范圍時(shí)，Cv值的增加梯度較為明顯；而在9°-27°時(shí)，Cv值的減小梯度卻相對(duì)緩慢。另外，根據(jù)流速計(jì)算公式：（其中ξ為流阻系數(shù)，ρ為介質(zhì)密度，v為介質(zhì)流速；L、D閥門結(jié)構(gòu)尺寸），若保證閥門壓降為定值，當(dāng)流阻減小時(shí)，其流速增量?jī)H為開方的差值。

通過以上分析可知，當(dāng)閥門流量確定時(shí)，閥門所需壓降越小，說明其流通能力越好；而減小閥座流阻，則是提高閥門流通能力的有效辦法。

3 結(jié)論

（1）使用CFD有限元分析軟件進(jìn)行黑水閥內(nèi)部流場(chǎng)模擬，實(shí)現(xiàn)閥門的可視化研究，提高產(chǎn)品研發(fā)效率，為企業(yè)節(jié)省費(fèi)用。

（2）根據(jù)流場(chǎng)分析結(jié)果，閥內(nèi)最小壓力與最大流速集中在閥座與閥芯節(jié)流間隙，該位置極易造成煤渣介質(zhì)的沖刷與腐蝕。因此，可采用閥芯/閥座表面噴焊硬質(zhì)合金層或整體燒結(jié)WC的方法來提高零件耐沖蝕性。

（3）當(dāng)閥座為直通型流道（無漸擴(kuò)角）時(shí)，閥門壓損最大，流量系數(shù)最??；隨著漸擴(kuò)角的逐漸增大，壓損先減后增，而流量系數(shù)則先增后減。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，推薦閥座漸擴(kuò)角為8°-10°。