煤倉泄壓閥流量特性及流場數(shù)值模擬

楊 益

（山西省能源發(fā)展中心，山西 太原 030006）

0 引言

煤倉泄壓閥是粉煤干粉氣化進(jìn)料系統(tǒng)中煤倉、平衡煤斗放空調(diào)壓的重要閥門之一[1]。在工業(yè)生產(chǎn)中，由于煤倉泄壓閥使用條件苛刻，使用過程中壓縮比相當(dāng)大的氣體放空，且?guī)в忻悍垲w粒，導(dǎo)致大量的噪聲產(chǎn)生，甚至內(nèi)部零件磨損。

某一閥入口內(nèi)徑34 mm、出口內(nèi)徑42 mm，公稱壓力PN40 的煤倉泄壓閥（圖1-1）使用過程中發(fā)現(xiàn)該泄壓閥有噪聲產(chǎn)生。將泄壓閥拆解檢查，發(fā)現(xiàn)泄壓閥是由1 級閥籠、2 級減壓組件和3 級閥籠進(jìn)行流量控制，且該三處閥門組件表面均出現(xiàn)了大量的磨損，如圖1-2 所示。煤倉泄壓閥內(nèi)部介質(zhì)的流動特性對其磨損影響巨大，并嚴(yán)重縮短其使用壽命，因此能夠準(zhǔn)確獲取煤倉泄壓閥內(nèi)部介質(zhì)流動的規(guī)律，是具有非常重要的工程應(yīng)用價(jià)值[2]。

近年來，諸多學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法對工業(yè)各式閥門進(jìn)行仿真研究。沈國強(qiáng)等采用數(shù)值模擬的方法對其設(shè)計(jì)的套筒調(diào)節(jié)閥進(jìn)行建模計(jì)算，獲得閥內(nèi)介質(zhì)流動規(guī)律，對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；Taimoor Asim等通過對調(diào)節(jié)閥構(gòu)建模型，數(shù)值模擬研究調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)對介質(zhì)流動的影響[3-4]；張希恒等采用基于流聲場聲振耦合的方法對調(diào)節(jié)閥空化噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬獲得閥門噪聲控制機(jī)理[5-7]。本文通過流體計(jì)算軟件模擬煤倉泄壓閥不同開度時(shí)高壓放空，研究煤倉泄壓閥閥內(nèi)流場，分析閥內(nèi)介質(zhì)壓力、速度和溫度分布，獲取其內(nèi)部介質(zhì)流動規(guī)律，為后期優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐。

1 流動控制方程

對于閥門內(nèi)流體流動計(jì)算，都涉及到質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程的求解，此外還有湍流問題，需要選擇合適的湍流模型[8]。

1.1 連續(xù)性方程

式中：ρ 為流體密度；ui為方向上的速度。

1.2 動量方程

式中：p 為流體靜壓強(qiáng)；τij為應(yīng)力張量；Fi-i為方向上重力體積力；ρui'uj'為雷諾應(yīng)力。

1.3 能量方程

對于流動系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換，亦要遵循能量守恒定律。

式中：keff為有效傳導(dǎo)率，由熱傳導(dǎo)率和湍流熱傳導(dǎo)率組成；Jj為組分的擴(kuò)散流量。

1.4 湍流模型

在FLUENT 中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε 是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的公式，是通過湍流理論、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對雷諾應(yīng)力提出假設(shè)而得到。

式中：i 為自由指標(biāo)；j 為啞指標(biāo)；Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Gb為浮力作用產(chǎn)生的湍流動能；YM為可壓縮氣體波動耗散的湍流動能；ακ和αε為k 方程和ε 方程的普朗特?cái)?shù)；C1ε、C2ε、C3ε分別為常數(shù)。

RNG k-ε 模型是由標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型基于重整化群理論演變而來，考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)流動的影響，修正了流體湍流黏度，并在ε 方程中添加附加項(xiàng)Rε。

Xu H 等[9]研究表明，RNG k-ε 湍流模型最適合減壓閥內(nèi)高速流動計(jì)算，故本文選取RNG k-ε 模型作為湍流模型，RNG k-ε 模型中常量取值C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09、αk=l、αε=1.3。

2 流動分析模型建立

2.1 網(wǎng)格處理

在保證煤倉泄壓閥關(guān)鍵幾何區(qū)域的基礎(chǔ)上為提高計(jì)算的效率，對閥體介質(zhì)流動區(qū)域作了適當(dāng)?shù)暮喕Ｓ?jì)算模型采用Cooper 網(wǎng)格劃分方法，由于1 級閥籠、2 級減壓組件和3 級閥籠結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖2-1 所示；網(wǎng)格差異較大，且為流動劇變區(qū)域，因此對該區(qū)域進(jìn)行加密處理，如圖2-2 所示。

圖2 煤倉泄壓閥結(jié)構(gòu)示意圖及網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

本文將研究閥門開度為30%、50%、70%、90%，100%時(shí)的閥內(nèi)介質(zhì)流動的情況。閥內(nèi)介質(zhì)為25 ℃的可壓縮氮?dú)猓M(jìn)出口邊界條件選擇壓力入口與壓力出口，入口壓力為4.8 MPa，溫度為298 K，出口壓力為0.1 MPa。

3 閥體流量特性

閥體的理想流量特性是由閥芯的形狀所決定，典型的理想流量特性有直線流量特性、等百分比（或稱對數(shù)）流量特性、拋物線流量特性和快開流量特性，如圖3 所示[10]。

圖3 調(diào)節(jié)閥理想流量特性

本文研究煤倉泄壓閥的工作流量特性即為其理想流量特性。但由于其特殊的多級減壓結(jié)構(gòu)，難以通過截面形狀來判斷其流量特性種類，也難以準(zhǔn)確求得閥體流通面積，因而需要通過數(shù)值模擬的方法來計(jì)算不同開度下的流量。計(jì)算結(jié)果如表1 所示，流量特性擬合曲線如圖4 所示，可以判斷近似為快開型流量特性。

圖4 流量特性曲線

4 閥體內(nèi)部流動結(jié)果分析

4.1 多級減壓壓力變化過程

圖5 為不同開度下煤倉泄壓閥截面壓力分布圖。流體經(jīng)由1 級閥籠，再經(jīng)2 級減壓組件，最后流經(jīng)3級閥籠，最終壓力減小至出口常壓。閥體的壓力梯度主要體現(xiàn)在2 級減壓組件處。當(dāng)閥門開度較小時(shí)，流體流量較小，1 級閥籠和3 級閥籠流通面積較大，流體流速變化不大，因此節(jié)流減壓效果不明顯。2 級減壓組件減壓機(jī)理與閥籠相似，也是通過改變流通面積以達(dá)到調(diào)節(jié)壓力的目的。2 級減壓組件流通面積較小，起到主要減壓作用。此外2 級減壓組件兩側(cè)的壓力較中間區(qū)域相比較低，這是由于流動漩渦產(chǎn)生的低壓區(qū)域。隨著閥門開度增大，1 級閥籠和3 級閥籠節(jié)流減壓作用增強(qiáng)，閥內(nèi)壓力梯度增大。

圖5 不同開度下對稱面壓力（Pa）分布

4.2 多級減壓速度變化過程

從圖6 可知，流體通過經(jīng)1 級閥籠時(shí)發(fā)生絕熱壓縮，流體壓力減低，速度增大。高速流體流出后在2 級減壓組件腔內(nèi)相遇，形成漩渦。流體流經(jīng)3 級閥籠后，從小孔中流出，被迫改變流向，相互擠壓著流入壁面低壓區(qū)域，產(chǎn)生回流，再次形成漩渦流動。這是因?yàn)榱黧w經(jīng)籠罩內(nèi)流出后在2 級減壓組件腔內(nèi)相遇，在高速流體的擠壓下，一部分流體向閥腔上表面運(yùn)動，遇到壁面后往近壁面低壓區(qū)域流動，另一部分流體向下匯成高速流，產(chǎn)生分離現(xiàn)象，形成漩渦。對比不同開度下閥內(nèi)流體的流動情況可知，速度最大值均出現(xiàn)在2 級減壓組件處，主要原因是2 級減壓組件處發(fā)生結(jié)構(gòu)突變，流通面積劇減，且突變程度相較孔板區(qū)域較大，見圖6。隨著閥門開度的增大，內(nèi)部流體的最大速度不斷減小。

圖6 不同開度下對稱面速度（m/s）矢量分布

4.3 多級減壓溫度變化過程

由圖7 可知，流體在閥內(nèi)流動，進(jìn)出口溫度基本保持不變。其原因在于整個(gè)流動過程絕熱，因此出口溫度與入口溫度基本相同。只有流體流經(jīng)節(jié)流減壓組件（即1 級閥籠、2 級減壓組件和3 級閥籠）后會經(jīng)歷絕熱膨脹過程。

圖7 不同開度下閥體的溫度（K）分布

根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，該過程是等熵過程，所以處于該位置的流體溫度會有所下降。

5 結(jié)論

本文通過流體計(jì)算軟件對“1 級閥籠、2 級減壓組件和3 級閥籠”的多級減壓結(jié)構(gòu)的煤倉泄壓閥建模，數(shù)值模擬，并得到減壓閥流量特性以及內(nèi)部介質(zhì)流動規(guī)律有關(guān)的結(jié)論:

1）本文研究的煤倉泄壓壓閥流量特性近似快開型流量特性。

2）從流道結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)了流道漩渦，探討了閥內(nèi)漩渦的存在與產(chǎn)生的機(jī)理。

3）流體壓力和速度最大梯度在2 級節(jié)流組件處；隨著閥體的開度增大，內(nèi)部流體壓力、速度梯度不斷減??；溫度場變化不明顯，入口溫度與出口溫度基本相同。