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    发布日期:2017-7-27


    黑水调节阀固液两相流数值模拟及内流场分析

    摘 要:以煤化工领域中某型号的黑水调节阀为研究对象,先对其结构和工作介质进行了分析,阐明了该调节阀工作环境恶劣的情况。用CFD中固液两相流的数值模拟方对两种开度下的阀门内流场进行了分析,得到了压力场、速度场,并对阀门内发生的闪蒸、空化现象进行了分析,给出了对现有结构进行改进的建议。

    关键字:黑水调节阀 固液两相流 流场特性 闪蒸


    0 引言

    阀门是石油、化工、电站、造纸、核工业、长输管线、各种低温工程、海洋采油以及宇航等流体输送系统中的控制部件,具有导流、截止、调节、节流、防止逆流、分流或溢流卸压等功能。该调节阀工作温度较高,应能够耐受通过阀门压力降引起的高流速,还要耐受闪蒸溶解汽的汽蚀、水的汽化和煤灰颗粒引起的腐蚀及磨蚀。黑水即为水煤浆气化工艺中在洗涤塔和气化炉的生产过程中产生的。因此对某型号黑水调节阀的内部流场进行CFD数值模拟分析,得到可视化结果,找出其闪蒸、空化区域,并对该区域进行结构改进,延长其使用寿命,具有重要意义。

    1 黑水调节阀结构分析

    黑水调节阀本质上是角阀的一种。它从结构上可以分为流开型(底进侧出)和流闭型(侧进底出)两种[2]。如图1所示。由于本案例中的调节阀用于煤化工气化工艺中,其介质含有煤渣、煤尘等杂质,为了防止流道堵塞,采用流闭型调节阀。

    图1 调节阀中流体的流向

    本案例中选取公称通径DN100,可调比R为50,阀芯行程为40mm的黑水调节阀为研究对象。其三维结构如图2所示。从图中可以看出此型号黑水调节阀主要由阀体、阀盖、阀杆、调节头、阀座及阀座组件构成。

    图2 DN100的黑水调节阀三维结构图

    阀门工作时,介质从进口流入,流经调节头与阀座组件之间形成的节流口,再由阀座处流出。期间通过阀杆和调节头的开度控制,起到精确调节压力和流量的作用。

    2 工作介质介绍

    该阀门主要用来处理流经气化炉和洗涤塔的黑水介质。黑水中含有Cl-、HS等强腐蚀性介质,同时还有很多硬质颗粒,固相含量高达3000mg/L,并且固相硬度很高,固相摩氏硬度可达7Mohs(刚玉陶瓷摩氏硬度),阀门进口压力3~6MPa,可承受0.3~1.5MPa的压差。而且其工作温度达250℃。黑水中的固体颗粒易发生沉积、结垢现象,容易堵塞阀门流道和工艺管道。当流体流过节流断面时,还有可能产生气液两项共存的状态,即发生闪蒸现象,这对阀芯和阀体造成了很大的危害,而且黑水介质中的硬质固体颗粒对阀内件和管道的高速冲刷,很大程度上损坏了阀门,而且产生了剧烈的震动和噪声。由此可知,该阀门的工作状况比较恶劣,我们用数值模拟的方法最大程度上去还原该阀门的真实工作情况,通过流场的可视化分析找到其闪蒸、空化的部位,为今后阀门的设计改进提供了一定的参考。

    3 数值模拟

    3.1 建模

    用三维软件UG分别建立该调节阀开度十种开度下的三维模型,并抽取其流道,并将其划分网格,流道划分采用的是非结构化网格的划分方法。因为该流道模型是关于中心面对称的,为了便于计算和分析,我们采用其一半的模型进行网格划分及流场分析。图3是黑水调节阀全开时的网格划分情况,网格节点数约为81万。

    3.2 两相流理论的研究模型

    研究两相流或者多相流有两种不同的观点:①把流体当成连续介质,把颗粒当做离散相,探讨颗粒动力学;②除了把流体当做连续介质,把颗粒群也当做拟流体,假设它在空间有连续的压强分布和速度分布以及等价的输运性质。

    在当前的两相流研究当中,对离散相颗粒的模拟是关键问题,而且对在连续流体中的离散相颗粒有不同的处理方法。总体来说有以下几种离散相颗粒的模拟方法,如表1所示。

    表1 两相流的离散相颗粒模型

    3.3 数值计算

    将msh文件导入Fluent进行计算。本文算例采用压力基求解器,湍流模型采用可实现的k-ε模型,由于该介质中含有固体颗粒,而且介质中含固质量分数在15%左右,我们可以把各相看成互相贯通的连续体,满足Mixture模型的基本要求,所以我们采用的多相流模型为Mixture模型。采用SIMPLEC算法,单元中心的变量梯度选择Green-GaussNodeBased,压力的插值方法选择PRESTO!其他项采用一阶迎分格式。求解过程中适当调节松弛因子直到计算收敛。入口边界条件:压力入口,p1=3.72MPa。含固体积分数0.12。工作温度211℃。出口边界条件:压力出口p2=0.5MPa。壁面条件:无滑移壁面。默认设置对称轴条件。材料特性:液体密度852kg/m3,211℃时动力粘度0.000127kg/m2s。固体颗粒直径0.05mm,密度1200kg/m3。需要注意的是,不同开度下的模型需采用相同的边界条件进行设定。

    图3 调节阀内流道网格划分

    3.4 数值模拟结果分析

    该黑水调节阀的流量特性为线性,我们取60%,40%两个开度见图4~图7,进行结果的对比分析。

    1)阀门开度为60%时的流场特性

    从对称面的压力云图可以看出,压力从进口到柱塞型阀芯的上半部分一直保持进口压力3.72MPa,图中细节放大图说明在阀口的节流口处压力开始突然下降,最低值达到了-9MPa,通过节流口处时,压力又开始逐渐恢复,直到达到设定的出口压力值0.5MPa。这是因为节流口处过流面积最小,流速最大导致的。可见该过程中出现了压力先降低,后升高的情况,又因为该工况下液体的饱和蒸汽压为1.9MPa,因此在流经节流口处时,压力降到了该条件下的饱和蒸汽压之下,所以阀内发生了闪蒸现象[6]。流体的压力在脱离节流孔之后,并没有一直保持在饱和蒸汽压力下,因此,阀门内还出现了空化作用。这也是为什么阀门使用寿命短,容易损坏的原因。

    图4 开度60%时对称面的压力云图

    图5 开度60%时对称面的流线图

    图6 开度40%时对称面的压力云图

    图7 开度40%时对称面的流线图

    由对称面的流线图可以看出,在节流口处流线较为密集,因为通过调节阀的所有介质都要通过节流口出流向出口处。而且在节流口处流速达到最大值,为120m/s,再加上介质中含有固体颗粒,因此此处对零部件的磨损也比较严重。在节流口之后,介质流动脱离阀体内壁,形成局部小范围的回流。流道里的能量耗散以漩涡为主要方式,符合流场内部能量守恒定律。

    2)阀门开度40%时的流场特性

    比较图4和图6的压力云图,我们可以看到,调节阀对称面处的压力分布是相似的,但开度40%时节流口处最低压力为-12MPa,低于开度60%的最低压力-6MPa。

    当阀口开度为40%时,节流口处流速最大值可达140m/s。高于开度60%时的最大流速。而且在距离阀芯下端10mm左右的位置,出现了漩涡。漩涡的出现会使零件受力不均匀,从而产生振动。发生漩涡的地方靠近出口处的边壁,由此我们推测,空化区域主要分布在阀套组件的直线段。当空化作用降低了液体传输能力时,调节阀的节流断面从理论上的通流面积最小处转移到了下游区域,改变了流速分布。

    4 结论

    (1)从分析黑水调节阀的结构入手,掌握其内部介质的特殊性,之后根据具体情况选择合适的数值模型进行分析是关键。本文中采用固液两相流的数值模拟方法对阀门内部流场进行了分析。

    (2)针对阀门开度60%和开度40%两种情况下压力云图和速度流线图进行了对比分析,结果发现在节流口处流线最密,压强最低。而且阀门开度40%时节流口处流速要比开度60%时节流口处流速大,压强比后者更低。根据仿真结果,可以在节流口处堆焊或喷焊STL合金[7],以此方法来提高易冲刷部位的强度从而延长阀门使用寿命。

    (3)分析仿真结果我们得知,在阀门内部发生了闪蒸、空化现象,并对发生的部位进行了初步推测。接下来可以针对闪蒸空化现象发生的具体部位进行探索,从而对阀门的使用材料方面做相应的研究。另外,也可以通过优化阀门内的流道,达到降低节流口处流速的目的,进而能减小介质对阀芯的冲刷损坏。

    针对调节阀使用过程中介质的特殊性,采用CFD中固液两相流的数值模拟方法对阀门内流场进行了详细分析。由于出现闪蒸和空化作用时,该阀门内的介质已变成汽固液三相,阀门内介质的情况变得更为复杂,因此要得到更为精确的流场分布还需要进行三相流的数值模拟。

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