黑水调节阀内闪蒸现象的数值模拟与结构改进

笔者采用的CFD数值模拟方法，改变了传统的阀门设计理念，在产品设计之初，就可以根据阀门的内流场特性，对其进行结构优化和方案改进，从而保证设计出的产品具有优良的使用性能。CFD设计理念在阀门研发设计中的推广，可以优化工作流程，大幅度缩短产品设计周期尤其是新产品的研发周期，节约成本，为企业带来可观的经济效益和社会效益。

1 黑水调节阀结构简介

黑水调节阀 href="http://www.tj88.cn/" target=_blank>调节阀多为角阀，广泛运用于煤化工系统中，用来控制高粘度介质、含有颗粒的流体以及闪蒸流体等。由于使用工况恶劣，针对这类阀门内部的流场进行CFD数值模拟分析，得到可视化的结果，了解其闪蒸、空化的情况对改进设计结构、提高使用寿命至关重要。

笔者选取DN100mm，PN11.0MPa的黑水调节阀为研究对象，其三维结构如图1所示。工作时，介质从入口流入，流经阀头与阀座之间形成的节流口，再依次经过阀座段和扩散段后流出，通过阀杆的上、下移动改变阀头与阀座之间的相对位置从而改变流量。

图1 黑水调节阀三维结构

2 数值模拟研究

2.1 建模

建立该型号黑水调节阀开度分别为10%～100%时的流道模型，并根据流道结构建立非结构网格模型，其中开度为40%的流道模型如图2所示。为使流动更充分，出、入口分别延长300mm。

图2 40%开度时的流道模型

2.2 数值计算

将GAMBIT导出的网格文件读入FLUENT后，选择求解器，求解方程和模型（选用k-ε标准湍流模型），设置流体物性和进、出口的边界条件，进行流场初始化，设定控制参数及定义迭代次数后就可以进行求解，具体计算条件如下：

介质  液态水

工作密度  841.2kg/m³

饱和蒸汽压力  2.27MPa

操作温度  219℃

动力粘度  0.122

入口压力  3.800MPa

出口压力 0.586MPa

2.3 数值模拟结果分析

由于该黑水调节阀的固有流量特性为等百分比，主要工作区间为开度10%～90%，笔者选取40%、50%两个常用开度进行重点分析。

2.3.1 开度为40%时的流场特性

从40%开度时节流口处局部压力云图（图3）可以看出在节流口处有一段负压区域。从数值上看，节流口到出口这段区域压力都小于介质的饱和蒸汽压力，因此在这一段区域会发生闪蒸现象，不会发生空化。流动的液体变成有气泡存在的气、液两相的混合体，两相介质的减速和膨胀作用会产生噪声和振动。闪蒸一般不会破坏节流元件，但会产生阻塞流，使调节阀流量减小，此时流量Q基本上不随压差Δp的增加而增加。

图3 40%开度时节流口处局部压力云图

从40%开度时节流口处的速度矢量图（图4）可以看出，节流口处速度陡升，形成局部高速区，高速流会对阀头、阀座和出口流道壁面产生剧烈的冲击，在节流口处出现整个流道内的最高速度。为抵御高速流带来的冲击，需要在阀头、阀座表面堆焊硬质合金，并在出口流道壁面衬整体烧结硬质合金。

图4 40%开度节流口处局部速度矢量图

从40%开度，z=0截面局部速度矢量图（图5）可以看出各局部涡流的情况。图5a为节流口前流道内形成的上下两处涡流，图5b为节流口后阀座段与扩散段两直段过渡处形成的涡流。

图5 40%开度z=0截面局部速度矢量图

2.3.2 50%开度时流场特性

从图6所示的50%开度时节流口处局部压力云图可以看出，50%开度时流道内的压力分布与40%开度时类似。

图6 50%开度时节流口处局部压力云图

从图7可以看出50%开度时高速流区域比40%开度时有所扩大，而且最高速度值也增大了。笔者将这一现象与其他开度时的进行对比可知：随着阀门开度的增大，节流口处高速流区域的面积逐渐增大。

图7 50%开度时节流口处局部速度矢量图

3 结构改进后的数值模拟

从改进前的数值模拟结果可以看出，在节流口处有高速流区域，而且在阀座段与扩散段两个直段交界的地方出现涡流，因此可以设想将节流口后改为整体喇叭状的结构，即去掉阀座段和扩散段两个直段间的直角过渡，以期能够改善节流口后的流场特性。笔者选择喇叭口的角度为5°进行数值计算，并将数值模拟结果与前对照。

3.1 建模

如图8所示为改进后的结构在阀门打开40%开度时的流道模型。为使流动更充分，出、入口分别延长300mm。

图8 40%开度时的流道模型

3.2 数值模拟及分析

计算条件与改进前的一致，与原结构相同，选取开度为40%、50%两个开度进行分析。

3.2.1 开度为40%时的流场特性

从图9所示的压力云图可以看出，与原结构相比，改进后流道内压力分布更加均匀，节流口处同样出现负压区，在整个流道内没有局部压力的陡升。

图9 40%开度时压力云图

从图10所示的速度矢量图可以看出，整个流道内速度较为均匀，节流口处出现高速区域，高速区域的面积比原结构有所减小。与原结构相比，流道内涡流强度有所减弱。与原结构相同，在节流口处出现最大速度，但最大速度值减小很多。

图10 40%开度时速度矢量图

3.2.2 开度为50%时的流场特性

50%开度时的流场特性与40%开度下类似（图11、12），在此不再赘述。

图11 50%开度时节流口处局部压力云图

图12 50%开度节流口处局部速度矢量图

3.3 改进前、后同等流量下流道内最高速度的对比

选取结构改进前、后两个同等流量下的流道内最高速度列于表1进行对比。

表1 结构改进前、后同等流量下流道内最高速度的对比

通过对比表1中的数据发现，结构改进后，同等流量下流道内的最高速度减小了，因此对于改进后结构，在满足所需流量的前提下，气流对阀头、阀座和出口流道壁面产生的冲击减小了。

4 结束语

通过对该型号黑水调节阀的三维数值模拟研究，得到了阀门的内流场特性，通过对压力云图和速度矢量图的分析，更清楚地了解到闪蒸现象的发生及发展过程。在对速度矢量图分析的基础上对流道结构进行了改进，并对改进后的结构进行了数值模拟分析，通过结果对比，证明改进后的结构更符合流体流动规律，除节流口处出现局部高速流外，其他区域流速较为均匀，流道内涡流较弱，减少了能量损失。结构改进后，节流口处最高速度减小了很多，且减小了高速流区域面积，从而减小了高速流对内壁的冲刷，延长了阀门的使用寿命。笔者对黑水调节阀内出现的闪蒸现象进行了初步探索，得到了一些基本结论，由于出现闪蒸时介质已变成气液两相，下一步将开展气液两相流的数值模拟，以期得到更准确的结论。