煤化工专用控制阀多相流流场特征研究

四风谷

              煤化工是一个以煤为原材料，通过化学加工的方法将煤转化成固体、液体和气体燃料及其他化学品的行业。作为煤化工中的核心应用部件———控制阀，其使用环境十分严苛，控制阀内通常流通着由气、液、固组成的多相流，并且在高温、高压、高腐蚀的环境下进行工作。所以控制阀的阀芯、阀座等部位的表面很容易被冲出呈现流线形的细槽，产生侵蚀；同时阀门中高速流动的流体，极易产生闪蒸或者是空化的现象，会释放出非常大的能量，对阀内结构和节流元件产生强大的破坏作用。

　　　　针对上述问题，诸多学者展开了对煤化工专用控制阀磨损机理及其强化技术的研究。王志国在对国外进口的研究基础上，自行研制出了能满足水煤浆气化使用工况的锁渣阀。Athanasatos等人对典型控制阀的应用情况进行分析，通过实际装备使用过程中所反馈出的问题对控制阀的现状进行了详尽的研究。尚翠霞等人利用Pro/E建立了控制阀的几何模型，采用ANSYS进行结构计算，实现流固耦合数值仿真计算。田雪梅分析了控制阀特性曲线畸变的因素，并提出了改善这种情况的解决办法。

　　　　本文以煤化工中最常用的控制阀———气动角式黑水阀为研究对象，基于可实现k－ε（Realizablek－ε）双方程湍流模型，利用计算流体力学（compu－tational fluid dynamics，CFD）软件，通过有限元分析法（finite　element　analysis，FEA），对流场中的湍流特征进行研究，对湍流流场内的压力、速度对阀门的影响进行分析，得到流体与阀壁相对压力、速度矢量的分布，再结合Preston磨削经验公式，对控制阀内最易磨损的区域进行预估，以便为后续控制阀的结构优化设计及表面强化打下基础。

　　　　1 控制阀内湍流流场分析

　　　　根据黑水阀的工作特性，阀内流体主要为煤粉（固）、水（液）和气泡（气）组成的多相流，其中液相比例较大。为了方便分析计算，将运动特性相似的气、固两相合并简化为一相（固相），所以流经控制阀的流体可被视作为固－液两相流。

　　　　黑水阀在实际使用的环境中，其内部成分主要以水为主，为了简化计算，忽略固、液两相之间的耦合作用，对流体相对运动速度、密度、粘度等进行分析时，可用水的速度、密度和粘度近似代替。本文控制阀内流体雷诺数计算如下：

　　　　控制阀内流体的密度：ρ＝805kg/m3。

　　　　流体的主要成分为水，粘性μ＝0.001kg/m•s。

　　　　控制阀全开时，流量达到最大值．假设工作时控制阀全开，其入口处的流速：υ＝1.0m/s。

　　　　以ZJSJ气动角式黑水阀为例，其流通口径为DN200，即D＝0.2m。

　　　　入口处的雷诺数为：

　　　　　　　 （1）

　　　　根据湍流定义，当Re大于2320时，可将流体形态定义为湍流。所以，可认为黑水阀内为湍流流场。针对黑水阀结构复杂、阀内流场流速快、压力高、湍流强度大的特点，采用Realizable k－ε湍流模型对流场进行描述。在Realizable k－ε模型中，关于k和ε的输运方程如下：

　　　　　　　 （3）

　　　　　　　 （4）

　　　　式（3）（4）中，ρ为流体密度，xi，xj为各坐标分量，σk，σε为湍动能k和耗散率ε的湍流普朗特数（Prandtl　Number），Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能产生，μ为分子粘性系数，μt为湍流粘性系数。其中：σk＝1.0，σε＝1.2，C2＝1.9；C1＝

　　　　

　　　　2　控制阀物理模型建立

　　　　通过对黑水阀进行结构简化，并且计算其湿周、流通面积、等效水力直径等计算参数，建立黑水阀的物理模型，并得到用于数值模拟试验的初始化参数。

　　　　2.1 黑水阀物理结构的简化

　　　　本文以ZJSJ气动角式黑水阀为研究对象，该型号黑水阀具有流体通道呈流线型、结构紧凑、阀门的重量较轻、容量大、流量特性曲线精确性高等优点，实物图与剖面图如图1所示。

图1 ZJSJ气动角式黑水阀

　　　　考虑到数值模拟分析时的可行性，忽略流体对阀门局部小零件的腐蚀、冲刷，对黑水阀的相关零件进行适当的简化，如：阀体，导向套，填料，弹簧，螺母等；并考虑到流量最大，即阀门开度最大的情况，将阀芯向上拉升到最高处，得到的结构简化图如图2。

图2 黑水阀结构简化图

　　　　基于被简化后的黑水阀结构，本文接下来将对用于数值模拟的阀体湿周、流通面积、等效水力直径等参数进行计算，并基于此模型，对阀体结构进行有限元网格划分。

　　　　2.2 黑水阀参数计算

　　　　1）黑水阀湿周L

　　　　图3为简化后黑水阀中结构尺寸示意图，根据图中尺寸计算黑水阀湿周如下：

　　　　L＝∑l＝200＋2×（220＋231．8＋0．5×π×15＋120＋50＋25）＋575＋200＋515＋2×

　　　　

图3 黑水阀结构尺寸示意图

　　　　2）黑水阀流通面积S

　　　　为了便于流通面积的计算，将黑水阀划分为S1-7七个区域，不同的区域采用不同的填充方式填充。将七个区域分别划分成长方形、三角形、弧形等便于计算的图形，其面积等于各个划分图形的相加减。通过计算，黑水阀内流通面积为：

图4 黑水阀内流通面积

　　　　3）水力直径DH

　　　　水力直径定义为流通面积与润湿周长比值的四倍，即：

　　　　通过计算可得0.4126m。

　　　　（4）湍流强度I

　　　　充分发展的管流湍流强度可通过水力直径对应的特征雷诺数求出。特征雷诺数ReDH为：

　　　　

　　　　湍流强度I为：

　　　　通过计算可得，黑水阀内的特征雷诺数为33214，湍流强度为3.26%，所以阀内流场可视作充分发展的湍流流场。

　　　　3 控制阀内流场数值模拟研究

　　　　3.1 黑水阀边界条件参数初始化

　　　　黑水阀模型的边界条件设置如下：入口边界条件为速度入口，初速度值为1m/s，出口为自由出口，第一相为液体相，材料为水；第二相为固体相，材料为碳，第二相体积分数设为10%，碳颗粒直径为55μm，湍流强度I＝3.266%，水力直径DH＝0.4126m。为了使计算精度提高，选择二阶迎风的差分方式对控制方程进行求解。

　　　　3.2 黑水阀内流场数值模拟试验结果及分析

　　　　根据Preston方程：

　　　　　　　 （5）

　　　　式（5）中：Δz—磨削去除量，kp—preston常数，υ—磨粒在近壁区的相对运动速度，p—磨粒在近壁区的相对压强。

　　　　基于Preston方程，对控制阀内流场的速度和压力进行数值模拟试验，试验结果如下：

　　　　图5中，（a）图为黑水阀内速度云图，（b）图为速度流场矢量图．从图中可以看出，阀内最大流速出现在流经阀芯处，速度约为2.01m/s。流体在阀体左侧区域流速较小，即流体对左侧阀的内部零件和外壳的冲击、腐蚀、速度冲击作用相对较小；流体流过阀芯后，速度方向开始改变，改为向X－Y轴的第三象限方向，且速度减小，在遇到阀体后，方向再一次改变，速度有减小的趋势，且阀芯与阀体外壳之间的速度比其他地方大得多，对阀体的冲刷、腐蚀也比其他部位零件多，因此对这一部分的零件耐磨、耐腐蚀的要求比其他区域的零件要高。

图5 黑水阀内速度流场

　　　　图6（a）为黑水阀内压力等值线图，（b）为压力流场云图。从图中可以看出，压力流场的整体分布和速度流场基本一致，同为阀内左侧区域压力较低，右侧压力较高；且阀内压力较大的区域有三个，全部在右侧靠近阀芯管段，一个在阀芯，另外两个靠近阀壳；流体对左侧阀的内部零件和外壳的冲击、腐蚀、压力冲击作用相对较小，从进口处到阀芯这一段的管径的压力明显大于其他部位；对阀的冲刷、腐蚀也比其他部位零件多。因此，对这一部分的零件耐压性能要求也比其他位置的零件要高。

　　　　根据数值模拟实验结果可得：（1）比较控制阀内流场速度和压力的等值线及压力云图分布，可以看出两者数值的分布基本吻合。造成该现象的原因主要因为，速度较大的区域往往固相也较为集中，所以造成了相同区域流体对阀壁的压力的增加。（2）根据Preston去除经验公式，压力和速度与磨损量成正比．所以，根据数值模拟结果可以得到，控制阀中靠近出口的阀芯区域最容易产生磨损。（3）根据数值模拟的速度和压力云图来看，控制阀的左侧区域受到的磨损相对较小，所以该区域不容易损坏，相较于阀体右侧更安全可靠。

　

图6 黑水阀内压力流场

　　　　4 结语

　　　　基于Realizable　k－ε双方程湍流模型，建立了黑水阀内湍流流场的数学模型；利用有限元分析软件，对黑水阀内的多相流场进行数值模拟实验，分析多相湍流流场内的压力、速度对阀门的影响，

　　　　得到压力和速度矢量分布云图，再结合Preston去除经验公式，对控制阀内最易磨损的区域进行预估，从而为后续控制阀的结构优化设计及表面强化打下了基础。

　　　　煤化工是一个以煤为原材料，通过化学加工的方法将煤转化成固体、液体和气体燃料及其他化学品的行业。作为煤化工中的核心应用部件———控制阀，其使用环境十分严苛，控制阀内通常流通着由气、液、固组成的多相流，并且在高温、高压、高腐蚀的环境下进行工作。所以控制阀的阀芯、阀座等部位的表面很容易被冲出呈现流线形的细槽，产生侵蚀；同时阀门中高速流动的流体，极易产生闪蒸或者是空化的现象，会释放出非常大的能量，对阀内结构和节流元件产生强大的破坏作用。

　　　　针对上述问题，诸多学者展开了对煤化工专用控制阀磨损机理及其强化技术的研究。王志国在对国外进口的研究基础上，自行研制出了能满足水煤浆气化使用工况的锁渣阀。Athanasatos等人对典型控制阀的应用情况进行分析，通过实际装备使用过程中所反馈出的问题对控制阀的现状进行了详尽的研究。尚翠霞等人利用Pro/E建立了控制阀的几何模型，采用ANSYS进行结构计算，实现流固耦合数值仿真计算。田雪梅分析了控制阀特性曲线畸变的因素，并提出了改善这种情况的解决办法。

　　　　本文以煤化工中最常用的控制阀———气动角式黑水阀为研究对象，基于可实现k－ε（Realizablek－ε）双方程湍流模型，利用计算流体力学（compu－tational fluid dynamics，CFD）软件，通过有限元分析法（finite　element　analysis，FEA），对流场中的湍流特征进行研究，对湍流流场内的压力、速度对阀门的影响进行分析，得到流体与阀壁相对压力、速度矢量的分布，再结合Preston磨削经验公式，对控制阀内最易磨损的区域进行预估，以便为后续控制阀的结构优化设计及表面强化打下基础。

　　　　1 控制阀内湍流流场分析

　　　　根据黑水阀的工作特性，阀内流体主要为煤粉（固）、水（液）和气泡（气）组成的多相流，其中液相比例较大。为了方便分析计算，将运动特性相似的气、固两相合并简化为一相（固相），所以流经控制阀的流体可被视作为固－液两相流。

　　　　黑水阀在实际使用的环境中，其内部成分主要以水为主，为了简化计算，忽略固、液两相之间的耦合作用，对流体相对运动速度、密度、粘度等进行分析时，可用水的速度、密度和粘度近似代替。本文控制阀内流体雷诺数计算如下：

　　　　控制阀内流体的密度：ρ＝805kg/m3。

　　　　流体的主要成分为水，粘性μ＝0.001kg/m•s。

　　　　控制阀全开时，流量达到最大值．假设工作时控制阀全开，其入口处的流速：υ＝1.0m/s。

　　　　以ZJSJ气动角式黑水阀为例，其流通口径为DN200，即D＝0.2m。

　　　　入口处的雷诺数为：

　　　　　　　 （1）

　　　　根据湍流定义，当Re大于2320时，可将流体形态定义为湍流。所以，可认为黑水阀内为湍流流场。针对黑水阀结构复杂、阀内流场流速快、压力高、湍流强度大的特点，采用Realizable k－ε湍流模型对流场进行描述。在Realizable k－ε模型中，关于k和ε的输运方程如下：

　　　　　　　 （3）

　　　　　　　 （4）

　　　　式（3）（4）中，ρ为流体密度，xi，xj为各坐标分量，σk，σε为湍动能k和耗散率ε的湍流普朗特数（Prandtl　Number），Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能产生，μ为分子粘性系数，μt为湍流粘性系数。其中：σk＝1.0，σε＝1.2，C2＝1.9；C1＝

　　　　

　　　　2 控制阀物理模型建立

　　　　通过对黑水阀进行结构简化，并且计算其湿周、流通面积、等效水力直径等计算参数，建立黑水阀的物理模型，并得到用于数值模拟试验的初始化参数。

　　　　2.1 黑水阀物理结构的简化

　　　　本文以ZJSJ气动角式黑水阀为研究对象，该型号黑水阀具有流体通道呈流线型、结构紧凑、阀门的重量较轻、容量大、流量特性曲线精确性高等优点，实物图与剖面图如图1所示。

图1 ZJSJ气动角式黑水阀

　　　　考虑到数值模拟分析时的可行性，忽略流体对阀门局部小零件的腐蚀、冲刷，对黑水阀的相关零件进行适当的简化，如：阀体，导向套，填料，弹簧，螺母等；并考虑到流量最大，即阀门开度最大的情况，将阀芯向上拉升到最高处，得到的结构简化图如图2。

图2 黑水阀结构简化图

　　　　基于被简化后的黑水阀结构，本文接下来将对用于数值模拟的阀体湿周、流通面积、等效水力直径等参数进行计算，并基于此模型，对阀体结构进行有限元网格划分。

　　　　2.2 黑水阀参数计算

　　　　1）黑水阀湿周L

　　　　图3为简化后黑水阀中结构尺寸示意图，根据图中尺寸计算黑水阀湿周如下：

　　　　L＝∑l＝200＋2×（220＋231．8＋0．5×π×15＋120＋50＋25）＋575＋200＋515＋2×

　　　　

图3 黑水阀结构尺寸示意图

　　　　2）黑水阀流通面积S

　　　　为了便于流通面积的计算，将黑水阀划分为S1-7七个区域，不同的区域采用不同的填充方式填充。将七个区域分别划分成长方形、三角形、弧形等便于计算的图形，其面积等于各个划分图形的相加减。通过计算，黑水阀内流通面积为：

图4 黑水阀内流通面积

　　　　3）水力直径DH

　　　　水力直径定义为流通面积与润湿周长比值的四倍，即：

　　　　通过计算可得0.4126m。

　　　　（4）湍流强度I

　　　　充分发展的管流湍流强度可通过水力直径对应的特征雷诺数求出。特征雷诺数ReDH为：

　　　　

　　　　湍流强度I为：

　　　　通过计算可得，黑水阀内的特征雷诺数为33214，湍流强度为3.26%，所以阀内流场可视作充分发展的湍流流场。

　　　　3 控制阀内流场数值模拟研究

　　　　3.1 黑水阀边界条件参数初始化

　　　　黑水阀模型的边界条件设置如下：入口边界条件为速度入口，初速度值为1m/s，出口为自由出口，第一相为液体相，材料为水；第二相为固体相，材料为碳，第二相体积分数设为10%，碳颗粒直径为55μm，湍流强度I＝3.266%，水力直径DH＝0.4126m。为了使计算精度提高，选择二阶迎风的差分方式对控制方程进行求解。

　　　　3.2 黑水阀内流场数值模拟试验结果及分析

　　　　根据Preston方程：

　　　　　　　 （5）

　　　　式（5）中：Δz—磨削去除量，kp—preston常数，υ—磨粒在近壁区的相对运动速度，p—磨粒在近壁区的相对压强。

　　　　基于Preston方程，对控制阀内流场的速度和压力进行数值模拟试验，试验结果如下：

　　　　图5中，（a）图为黑水阀内速度云图，（b）图为速度流场矢量图．从图中可以看出，阀内最大流速出现在流经阀芯处，速度约为2.01m/s。流体在阀体左侧区域流速较小，即流体对左侧阀的内部零件和外壳的冲击、腐蚀、速度冲击作用相对较小；流体流过阀芯后，速度方向开始改变，改为向X－Y轴的第三象限方向，且速度减小，在遇到阀体后，方向再一次改变，速度有减小的趋势，且阀芯与阀体外壳之间的速度比其他地方大得多，对阀体的冲刷、腐蚀也比其他部位零件多，因此对这一部分的零件耐磨、耐腐蚀的要求比其他区域的零件要高。

图5 黑水阀内速度流场

　　　　图6（a）为黑水阀内压力等值线图，（b）为压力流场云图。从图中可以看出，压力流场的整体分布和速度流场基本一致，同为阀内左侧区域压力较低，右侧压力较高；且阀内压力较大的区域有三个，全部在右侧靠近阀芯管段，一个在阀芯，另外两个靠近阀壳；流体对左侧阀的内部零件和外壳的冲击、腐蚀、压力冲击作用相对较小，从进口处到阀芯这一段的管径的压力明显大于其他部位；对阀的冲刷、腐蚀也比其他部位零件多。因此，对这一部分的零件耐压性能要求也比其他位置的零件要高。

　　　　根据数值模拟实验结果可得：（1）比较控制阀内流场速度和压力的等值线及压力云图分布，可以看出两者数值的分布基本吻合。造成该现象的原因主要因为，速度较大的区域往往固相也较为集中，所以造成了相同区域流体对阀壁的压力的增加。（2）根据Preston去除经验公式，压力和速度与磨损量成正比．所以，根据数值模拟结果可以得到，控制阀中靠近出口的阀芯区域最容易产生磨损。（3）根据数值模拟的速度和压力云图来看，控制阀的左侧区域受到的磨损相对较小，所以该区域不容易损坏，相较于阀体右侧更安全可靠。

　

图6 黑水阀内压力流场

　　　　4 结语

　　　　基于Realizable　k－ε双方程湍流模型，建立了黑水阀内湍流流场的数学模型；利用有限元分析软件，对黑水阀内的多相流场进行数值模拟实验，分析多相湍流流场内的压力、速度对阀门的影响，

　　　　得到压力和速度矢量分布云图，再结合Preston去除经验公式，对控制阀内最易磨损的区域进行预估，从而为后续控制阀的结构优化设计及表面强化打下了基础。