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  • 迷宫通道式高压调节阀的流动特性与数值模拟分析
    发布日期:2016-1-25


    摘 要:为了分析串联型迷宫式流道的流场特性,建立了流道内流体流动的动力学模型,通过数值模拟计算的方法,对流道的降压特性进行预估和判断,为流道的优化设计提供了重要参考。

    本页关键词:进口气动调节阀, 进口电动调节阀,, 进口调节阀

    调节阀在工业生产的调节控制系统中是必不可少的,它是组成工业自动化系统的重要环节,被称为生产过程自动化的“执行器”。

    高压调节阀在高压管路系统中起着控制介质流量、稳定生产过程、优化控制状态的作用,广泛运用于热力和化工系统领域,在电厂的高压系统中有时被当作截止阀来使用,如连续排污阀、最小流量阀等,其过程控制的精确性、有效性和稳定性影响着整个系统的正常运行。但高压的存在,常使调节阀产生腐蚀、冲刷、磨损、振动、内漏等问题,从而导致调节阀的使用寿命缩短、可靠性下降,进而引起工艺系统和装置的生产效率大幅度下降,严重时可能导致整个系统完全停产。在调节阀的失效形式中,最主要的是内漏问题,引起内漏的关键是高压状态下阀门的密封处容易产生冲刷、闪蒸和汽蚀现象,从而导致密封面破坏。高温高压调节阀被广泛地应用于电站、冶金、石化等许多行业,这类阀门的汽蚀、噪声和振动等问题一直是一个难以解决的课题。

    迷宫式通道是目前高压调节阀的新型结构,迷宫式高差压调节阀采用阻力系数较大的阻力件,组成曲折流道,实现多级平衡降压,从而达到高差压下的低流速,可大大缓解高差压阀门中的振动、噪声和冲蚀等现象。

    1 迷宫式调节阀的设计原理及特性

    迷宫式调节阀的抗汽蚀设计是利用迷宫式芯包多级降压的原理,通过强制介质流经一系列的直角弯道使流速得到完全的控制,达到逐级降压的目的。无论压降大小,这些弯道的阻力使得介质流出芯包的速度受到限制。经过多级降压,使介质的压力始终维持在介质的饱和汽化压力pυ之上,从而避免了汽蚀现象,消除了不安全因素。

    迷宫式调节阀与普通调节阀的性能比较见图1。

    图1 迷宫式调节阀与普通调节阀的性能比较

    迷宫式芯包由多片迷宫盘片在特殊条件下粘合(用进口粘接剂)而成。每片迷宫盘片用专用成型方法加工形成很多通道,而每个通道能通过一定量的介质,通道内由一系列的直角弯道提供介质阻力。根据用户不同的要求,经过精确的计算,选定不同弯道级数,使得流经迷宫式芯包的介质速度始终限制在一定范围内。参照国外的成熟经验,当流速小于或接近30m/s时,对节流元件的冲蚀影响最小。带有曲折流道的阀套是由一系列圆环盘(即为迷宫盘叠焊在一起形成的套筒,从下至上每个圆环盘的出口沿周向交错,以便流体能从阀套均匀地流出,见图2(a)。阀套的内径经过磨削,其精度较高,使得流体在阀套与阀芯间流动的径向间隙为最小。组成阀套的每个圆环盘上都有经电火花加工成的许多曲折流道,每个流道同其他流道及相邻圆环盘上的流道都是不相通的。

    图2 阀芯旁片流道结构

    由于阀门中的工作介质基本上都是流体(主要是水),因此迷宫式阀门一般采用流关型结构。当采用流关型结构时,进入阀体的介质首先经过芯包,再经过阀芯,最后由阀座流出。

    由于每一片迷宫盘片的流量及弯道数量可以改变,而且盘片的厚度可以设计得很薄(2.5mm),所以阀门就可以根据用户的特殊要求来设计,以提供精确的流量控制。

    2 串联型迷宫式流道常温下的数值模拟

    2.1 网格划分

    对于流过一个给定的几何外形的流动来说,确定适当的网格是一件非常重要的事情,Fluent软件采用非结构网格与适应性网格相结合的方式进行网格划分。串联型流道模块进口尺寸为16mm×16mm,出口尺寸为16mm×20mm。网格划分见图3。

    图3 网格划分

    2.2 数值模拟设置

    模拟水(15℃)在迷宫式流道中流动时,流道的进口边界设置为速度进口边界类型,出口边界设置为压力边界类型,其余设置为壁面类型,壁面边界采用标准壁面函数计算,流体与壁面之间绝热。求解器采用非耦合算法中的隐式格式,设置标准k-ε湍流模型,采用Simple算法,二阶迎风格式。

    2.3 结果显示及流场分析

    流道模块在进口速度为9.5m/s(雷诺数Re=1.315×105)、出口压力为118.1kPa的条件下,流道的压力等值线图和速度矢量图见图4。

    图4 流道的压力等值线图和速度矢量图

    流道模块在进口速度为5m/s(雷诺数Re=6.920×104)、出口压力为276.7kPa的条件下,流道的压力等值线图和速度矢量图见图5。

    图5 流道的压力等值线图和速度矢量图

    从图4、图5可以看出:不同流速下压力等值线图和速度矢量图都呈现一致的规律。从整个流场来看漩涡区的分布情况,流道中总共形成六个较大的漩涡区。在流道中由于弯道开口大小一样,随着拐角处回流区长度的增大,第一个到第六个漩涡区大小也逐渐增大,每个漩涡区的强度未见太大变化趋势,近似保持在一个水平之内。水流经过弯道拐角处时流速迅速增大,压力减小,紊流动能增大,每个弯道处都有一个低压区。进口流速为9.5m/s时,最后两个低压区的压力低于饱和压力,在此区域会产生空化,进而发生汽蚀,可以通过增大此处圆弧半径来优化,避免或减少汽蚀。

    从以上分析可得:流体在整个流道中的压力和流速均得到有效控制,压降的分布比较合理,实现逐级均匀降压的设计目的,表明了串联型迷宫式高压调节阀流道设计合理,能保证流体压力的逐级均匀降低和避免严重汽蚀。

    3 模拟结果与实验结果的比较

    图6为流道模块的测压点位置图。

    图6 流道模块的测压点

    为了使实测值准确可靠,测压点所取得的断面位置既要保证不在剧烈的漩涡区,又不能离压力突变位置太远。从实验的数据计算和分析中可以得出结论:选取的最佳断面位置为每一漩涡区的外缘。对测压点进行实验值和模拟值的对比分析见图7。

    图7 流道模块实验与模拟的压力比较

    由图7可知:流道模块7个测压点流量压力(压差)的计算结果与测试结果很接近,在两种流量下,最大的压力偏差<5%,表明计算中数值模型的选择、边界条件的设置和网格设计都很合理,计算精度也比较高,所进行的数值模拟反映了实验模型的物理流动现象。

    在实际应用过程中,对于流体的降压节流,一般是先让流体经过一段串联型流道,让其在较短的流道和较短的时间内压力迅速降低;然后再经过并联流道,一方面使流体压力继续均匀降低,使降压速度减慢,另一方面,通过流量的均分,使流体的出口速度降低,这样就可以在保证节流降压的前提下,使流经迷宫盘上每个流道的流体在出口处的相互干扰减小,以避免因扰动太大而导致阀体的剧烈振动。

    4 结语

    笔者采用数值模拟方法对高压调节阀迷宫式通道的压降状况进行模拟计算,计算结果表明:

    (1)不同流速下压力等值线图和速度矢量图都呈现一致的规律,流体在整个流道中的压力和流速均得到有效控制,压降的分布比较合理,实现逐级均匀降压的设计目的。

    (2)数值模拟计算值和实验测试结果相比较,在两种流量下,最大的压力偏差<5%,表明所进行的数值模拟反映了实验模型的物理流动现象。

    文章链接:http://www.dghwvalve.com/

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