高壓差減壓閥數(shù)值模擬*

章序文 蘭建華 何建鏵

（中國神華煤制油化工有限公司上海研究院） （上?；ぱ芯吭海?/p>

高壓差減壓閥數(shù)值模擬*

章序文**蘭建華 何建鏵

（中國神華煤制油化工有限公司上海研究院） （上?；ぱ芯吭海?/p>

采用Fluent軟件對(duì)煤直接液化高壓差減壓閥的內(nèi)部流場進(jìn)行模擬計(jì)算。數(shù)值模擬結(jié)果能真實(shí)反映高壓差減壓閥內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)。分析高壓差減壓閥內(nèi)部流場的特點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提高減壓閥的使用壽命。

減壓閥 高壓差 數(shù)值模擬 多相流 煤液化 Fluent

0 前言

煤直接液化是在高溫高壓下進(jìn)行的加氫反應(yīng)。液化反應(yīng)產(chǎn)物須從高壓19 MPa減壓到1 MPa后進(jìn)行固液分離，閥前后的壓差達(dá)到18 MPa。由于物料中含有30%的固體顆粒，因而對(duì)閥的沖刷非常嚴(yán)重。對(duì)于煤液化減壓系統(tǒng)的苛刻條件和長壽命的運(yùn)行條件，常規(guī)的減壓閥難以適合這些要求，因此研究煤液化高壓差減壓閥的結(jié)構(gòu)非常必要。

國外，美國橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室 （ORNL）的早期報(bào)告曾對(duì)華盛頓州Fort Lewis和亞拉巴馬州Wilsonville的SRC工藝試驗(yàn)裝置、肯塔基州Ashland的H-coal試驗(yàn)廠、得克薩斯州Baytown的EDS試驗(yàn)廠等的四套中試設(shè)備作過綜合分析，與本項(xiàng)目同類的產(chǎn)品壽命僅有幾小時(shí)至1000小時(shí)。

1 問題描述

在氣+液或液+固二相流介質(zhì)的高壓、大壓差、小流量調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)制造方面，人們一直在探索。由于嚴(yán)重的汽蝕和高速流體的沖刷，使得閥門的壽命極短。針對(duì)煤漿介質(zhì)特殊減壓閥的研究，目前也比較少。至于高溫、高壓、大壓差、小流量、帶顆粒伴有腐蝕性的固、液二相流的苛刻工況組合，使閥門的工作條件極為嚴(yán)酷，尚未見到這方面的研究信息。對(duì)于高壓差減壓閥內(nèi)高速流動(dòng)的流體的研究沒有完整的理論計(jì)算公式，大都采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，難度比較大。

1.1 已知參數(shù)

針對(duì)小型煤液化試驗(yàn)裝置上的減壓閥進(jìn)行探索性研究，以了解閥的磨損機(jī)理，為閥的放大設(shè)計(jì)提供一些參考。具體參數(shù)如下：

入口壓力：19 MPa；

出口壓力：1 MPa；

流量：11 L/h；

流體介質(zhì)：煤漿 （液固相，含固量30%）;

液相：油，密度970 kg/m3，黏度0.040 Pa·s;

固相：直徑80 μm的炭顆粒，體積分?jǐn)?shù)0.14。

1.2 建立物理模型

利用PRO/E建立減壓閥的三維實(shí)體模型，然后導(dǎo)入Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格的細(xì)化處理等。三維實(shí)體物理模型如圖1所示，煤漿介質(zhì)從入口進(jìn)入減壓閥腔體，然后通過閥芯與閥座之間的間隙，減壓后進(jìn)入閥座下方的流道，最后進(jìn)入限流孔板進(jìn)行二次減壓。

圖1 高壓差減壓閥閥芯周圍的流體模型

2 模擬計(jì)算

2.1 Fluent軟件介紹

Fluent軟件是目前國內(nèi)外計(jì)算復(fù)雜幾何條件下流動(dòng)和傳熱問題的主流CFD軟件。它采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬 (插入有限體積法的定義)，應(yīng)用的范圍包括高超音流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、剪切分離流動(dòng)、渦輪機(jī)、燃燒、化學(xué)反應(yīng)、多相流、非定常流、攪拌混合等問題。Fluent具有多種物理模型和解算算法，求解精度可達(dá)二階。它不僅廣泛地應(yīng)用于工程運(yùn)算，而且在科研、教學(xué)、理論研究等領(lǐng)域也用于進(jìn)行流場、熱傳導(dǎo)、燃燒模擬等的計(jì)算。

2.2 數(shù)值模擬前期處理

利用流體計(jì)算軟件對(duì)流場進(jìn)行計(jì)算。僅考慮減壓閥閥芯周圍的工作范圍，對(duì)其內(nèi)部的流場進(jìn)行分析計(jì)算。用Gatobit(為Fluent前期處理軟件，包括先進(jìn)的幾何建模和網(wǎng)格劃分模塊)軟件進(jìn)行有限控制體網(wǎng)格劃分。把處理過的模型導(dǎo)人Fluent中。在Fluent中，檢查網(wǎng)格，選擇解法器，選擇求解的方程指定邊界條件設(shè)置計(jì)算控制參數(shù)。本例所使用模型為湍流模型，湍流模型就是以雷諾平均運(yùn)動(dòng)方程與脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ)，依靠理論與經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，引進(jìn)一系列模型假設(shè)，而建立起的一組描寫湍流平均量的封閉方程組。采用κ-ε模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在煤直接液化工藝過程中，高壓差減壓閥在400℃以上的高固含量的油煤漿條件下工作，將煤漿的壓力從19.0 MPa減壓到1.0 MPa，壓降非常大，造成閥芯、閥座及閥體內(nèi)部流道的沖刷磨損非常厲害。從圖2、圖3及圖4可以清晰地看到介質(zhì)在閥體內(nèi)部不同部位的流速及其流動(dòng)狀態(tài)。

圖2 閥芯周圍流線

圖3 閥芯?4 mm孔深12 mm（閥開度為30%）

分兩種情況進(jìn)行模擬：

（1）閥芯直徑?4 mm，閥座下方流道孔深為12 mm，閥的開度為30%的情況下，最大流速為170 m/s，閥芯處流速為40～50 m/s，閥芯前后壓降為1 MPa。

（2）加長閥芯下方流道孔深到40 mm，閥的開度為30%的情況下，最大流速減小到124 m/s，閥芯處流速為35～40 m/s，閥芯前后壓降為1 MPa。

從圖4可見：改變閥座下方流道的長度從而改變閥體內(nèi)部流場，有利于改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，減少固體漿料對(duì)閥體內(nèi)部接觸面的沖刷磨損。

圖4 閥芯?4 mm孔深40 mm（閥開度為30%）

3 結(jié)論

運(yùn)用流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)煤液化高壓差減壓閥流場的影響進(jìn)行模擬，直觀地描述了閥芯周圍的流場，為改進(jìn)加壓閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持，有借鑒作用。本文實(shí)例通過改變閥座下方流道的長度從而改變了閥體內(nèi)部流場的狀態(tài)。同樣可以利用Fluent對(duì)閥體零件的其他參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而增加閥芯及過流部件的使用壽命。

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[2]王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析 [M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004.

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[4]余曉明，茅忠明，孔彪龍.減壓閥性能試驗(yàn)與內(nèi)部流場數(shù)值計(jì)算 [J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,31(2)：183-189.

High-pressure Differential Pressure Reducing Valve Numerical Simulation

Zhang Xuwen Lan Jianhua He Jianhua

This paper stimulates internal flow field of direct coal liquefaction high-pressure differential pressure reducing valve by Fluent software and the numerical simulation results can truly reflect its complex flow.By analyzing characteristics of internal flow field of high-pressure differential pressure reducing valve,the structure is optimized and modified to improve the service life.

Pressure reducing valve；High-pressure differential;Numerical simulation;Multiphase flow;Coal liquefaction;Fluent

TH 134

*上海市優(yōu)秀學(xué)科人計(jì)劃項(xiàng)目 （09XD1421600）資助。

**章序文，女，1964年10月生，教授級(jí)高工。上海市，201108。

2011-05-31）