煤化工專用控制閥多相流流場特徵研究

煤化工是一個以煤為原材料，通過化學加工的方法將煤轉化成固體、液體和氣體燃料及其他化學品的行業。作為煤化工中的核心應用部件———控制閥，其使用環境十分嚴苛，控制閥內通常流通著由氣、液、固組成的多相流，並且在高溫、高壓、高腐蝕的環境下進行工作。所以控制閥的閥芯、閥座等部位的表面很容易被衝出呈現流線形的細槽，產生侵蝕；同時閥門中高速流動的流體，極易產生閃蒸或者是空化的現象，會釋放出非常大的能量，對閥內結構和節流元件產生強大的破壞作用。

針對上述問題，諸多學者展開了對煤化工專用控制閥磨損機理及其強化技術的研究。王志國在對國外進口的研究基礎上，自行研製出了能滿足水煤漿氣化使用工況的鎖渣閥。Athanasatos等人對典型控制閥的應用情況進行分析，通過實際裝備使用過程中所反饋出的問題對控制閥的現狀進行了詳盡的研究。尚翠霞等人利用Pro/E建立了控制閥的幾何模型，採用ANSYS進行結構計算，實現流固耦合數值模擬計算。田雪梅分析了控制閥特性曲線畸變的因素，並提出了改善這種情況的解決辦法。

本文以煤化工中最常用的控制閥———氣動角式黑水閥為研究對象，基於可實現k－ε（Realizablek－ε）雙方程湍流模型，利用計算流體力學（compu－tational fluid dynamics，CFD）軟體，通過有限元分析法（finiteelementanalysis，FEA），對流場中的湍流特徵進行研究，對湍流流場內的壓力、速度對閥門的影響進行分析，得到流體與閥壁相對壓力、速度矢量的分布，再結合Preston磨削經驗公式，對控制閥內最易磨損的區域進行預估，以便為後續控制閥的結構優化設計及表面強化打下基礎。

控制閥內湍流流場分析

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根據黑水閥的工作特性，閥內流體主要為煤粉（固）、水（液）和氣泡（氣）組成的多相流，其中液相比例較大。為了方便分析計算，將運動特性相似的氣、固兩相合并簡化為一相（固相），所以流經控制閥的流體可被視作為固－液兩相流。

黑水閥在實際使用的環境中，其內部成分主要以水為主，為了簡化計算，忽略固、液兩相之間的耦合作用，對流體相對運動速度、密度、粘度等進行分析時，可用水的速度、密度和粘度近似代替。本文控制閥內流體雷諾數計算如下：

控制閥內流體的密度：ρ＝805kg/m3。

流體的主要成分為水，粘性μ＝0.001kg/m?s。

控制閥全開時，流量達到最大值．假設工作時控制閥全開，其入口處的流速：υ＝1.0m/s。

以ZJSJ氣動角式黑水閥為例，其流通口徑為DN200，即D＝0.2m。

入口處的雷諾數為：

（1）

根據湍流定義，當Re大於2320時，可將流體形態定義為湍流。所以，可認為黑水閥內為湍流流場。針對黑水閥結構複雜、閥內流場流速快、壓力高、湍流強度大的特點，採用Realizable k－ε湍流模型對流場進行描述。在Realizable k－ε模型中，關於k和ε的輸運方程如下：

（3）

（4）

式（3）（4）中，ρ為流體密度，xi，xj為各坐標分量，σk，σε為湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數（PrandtlNumber），Gk為由於平均速度梯度引起的湍動能產生，μ為分子粘性係數，μt為湍流粘性係數。其中：σk＝1.0，σε＝1.2，C2＝1.9；C1＝

控制閥物理模型建立

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通過對黑水閥進行結構簡化，並且計算其濕周、流通面積、等效水力直徑等計算參數，建立黑水閥的物理模型，並得到用於數值模擬試驗的初始化參數。

2.1 黑水閥物理結構的簡化

本文以ZJSJ氣動角式黑水閥為研究對象，該型號黑水閥具有流體通道呈流線型、結構緊湊、閥門的重量較輕、容量大、流量特性曲線精確性高等優點，實物圖與剖面圖如圖1所示。

圖1 ZJSJ氣動角式黑水閥

考慮到數值模擬分析時的可行性，忽略流體對閥門局部小零件的腐蝕、沖刷，對黑水閥的相關零件進行適當的簡化，如：閥體，導向套，填料，彈簧，螺母等；並考慮到流量最大，即閥門開度最大的情況，將閥芯向上拉升到最高處，得到的結構簡化圖如圖2。

圖2 黑水閥結構簡化圖

基於被簡化後的黑水閥結構，本文接下來將對用於數值模擬的閥體濕周、流通面積、等效水力直徑等參數進行計算，並基於此模型，對閥體結構進行有限元網格劃分。

2.2 黑水閥參數計算

1）黑水閥濕周L

圖3為簡化後黑水閥中結構尺寸示意圖，根據圖中尺寸計算黑水閥濕周如下：

L＝∑l＝200＋2×（220＋231．8＋0．5×π×15＋120＋50＋25）＋575＋200＋515＋2×

圖3 黑水閥結構尺寸示意圖

2）黑水閥流通面積S

為了便於流通面積的計算，將黑水閥劃分為S1-7七個區域，不同的區域採用不同的填充方式填充。將七個區域分別劃分成長方形、三角形、弧形等便於計算的圖形，其面積等於各個劃分圖形的相加減。通過計算，黑水閥內流通面積為：

圖4 黑水閥內流通面積

3）水力直徑DH

水力直徑定義為流通面積與潤濕周長比值的四倍，即：

通過計算可得

0.4126m。

4）湍流強度I

充分發展的管流湍流強度可通過水力直徑對應的特徵雷諾數求出。特徵雷諾數ReDH為：

湍流強度I為：

通過計算可得，黑水閥內的特徵雷諾數為33214，湍流強度為3.26%，所以閥內流場可視作充分發展的湍流流場。

控制閥內流場數值模擬研究

3

3.1 黑水閥邊界條件參數初始化

黑水閥模型的邊界條件設置如下：入口邊界條件為速度入口，初速度值為1m/s，出口為自由出口，第一相為液體相，材料為水；第二相為固體相，材料為碳，第二相體積分數設為10%，碳顆粒直徑為55μm，湍流強度I＝3.266%，水力直徑DH＝0.4126m。為了使計算精度提高，選擇二階迎風的差分方式對控制方程進行求解。

3.2 黑水閥內流場數值模擬試驗結果及分析

根據Preston方程：

（5）

式（5）中：Δz—磨削去除量，kp—preston常數，υ—磨粒在近壁區的相對運動速度，p—磨粒在近壁區的相對壓強。

基於Preston方程，對控制閥內流場的速度和壓力進行數值模擬試驗，試驗結果如下：

圖5中，（a）圖為黑水閥內速度雲圖，（b）圖為速度流場矢量圖．從圖中可以看出，閥內最大流速出現在流經閥芯處，速度約為2.01m/s。流體在閥體左側區域流速較小，即流體對左側閥的內部零件和外殼的衝擊、腐蝕、速度衝擊作用相對較小；流體流過閥芯後，速度方向開始改變，改為向X－Y軸的第三象限方向，且速度減小，在遇到閥體後，方向再一次改變，速度有減小的趨勢，且閥芯與閥體外殼之間的速度比其他地方大得多，對閥體的沖刷、腐蝕也比其他部位零件多，因此對這一部分的零件耐磨、耐腐蝕的要求比其他區域的零件要高。

圖5 黑水閥內速度流場

圖6（a）為黑水閥內壓力等值線圖，（b）為壓力流場雲圖。從圖中可以看出，壓力流場的整體分布和速度流場基本一致，同為閥內左側區域壓力較低，右側壓力較高；且閥內壓力較大的區域有三個，全部在右側靠近閥芯管段，一個在閥芯，另外兩個靠近閥殼；流體對左側閥的內部零件和外殼的衝擊、腐蝕、壓力衝擊作用相對較小，從進口處到閥芯這一段的管徑的壓力明顯大於其他部位；對閥的沖刷、腐蝕也比其他部位零件多。因此，對這一部分的零件耐壓性能要求也比其他位置的零件要高。

根據數值模擬實驗結果可得：

（1）比較控制閥內流場速度和壓力的等值線及壓力雲圖分布，可以看出兩者數值的分布基本吻合。造成該現象的原因主要因為，速度較大的區域往往固相也較為集中，所以造成了相同區域流體對閥壁的壓力的增加。

（2）根據Preston去除經驗公式，壓力和速度與磨損量成正比．所以，根據數值模擬結果可以得到，控制閥中靠近出口的閥芯區域最容易產生磨損。

（3）根據數值模擬的速度和壓力雲圖來看，控制閥的左側區域受到的磨損相對較小，所以該區域不容易損壞，相較於閥體右側更安全可靠。

圖6 黑水閥內壓力流場

結語

4

基於Realizablek－ε雙方程湍流模型，建立了黑水閥內湍流流場的數學模型；利用有限元分析軟體，對黑水閥內的多相流場進行數值模擬實驗，分析多相湍流流場內的壓力、速度對閥門的影響，

得到壓力和速度矢量分布雲圖，再結合Preston去除經驗公式，對控制閥內最易磨損的區域進行預估，從而為後續控制閥的結構優化設計及表面強化打下了基礎。

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