黑水调节阀的应用及原理（下）

东方红飞

黑水调节阀的应用及原理

面，并由连接法兰通过螺栓固定在阀体内台阶上，拆卸；图1黑水阀结构示意图；2阀门内部流场的数值模拟；2.1阀门内部流场的数值模拟；黑水阀是一种典型的角型调节阀，阀门进出口存在位置；（1）假定阀门内介质不受重力作用，即忽略位置势能；（2）忽略部分沿程能量损失，如振动等；（3）阀体内介质选用水，忽略固体杂质对流场的影响；采用Solidworks三维建模软件，进行调

面，并由连接法兰通过螺栓固定在阀体内台阶上，拆卸方便。另外，连接法兰的出口端直径可根据现场工艺管道布置确定，实现管道变径，其内部流道也设计成锥面，进一步提高介质的流通性。

图1 黑水阀结构示意图

2 阀门内部流场的数值模拟

2.1 阀门内部流场的数值模拟

黑水阀是一种典型的角型调节阀，阀门进出口存在位置落差，因此势能转化为动能，其大小值主要决定于阀门纵向法兰距尺寸。另外，介质在流动过程中，介质间内摩擦、介质与管道壁面摩擦、以及流体诱发振动等必将产生一定的能量损耗。因此，为了突出阀座的结构尺寸对整个阀门流通性的影响，在进行数值模拟时作以下假设：

（1）假定阀门内介质不受重力作用，即忽略位置势能损耗。

（2）忽略部分沿程能量损失，如振动等。

（3）阀体内介质选用水，忽略固体杂质对流场的影响。

采用Solidworks三维建模软件，进行调节阀内部流道三维建模，并按国家标准

《GB/T17213.9-2005关于阀门流通能力测试》中相关规定确定测压间距。

为了保证计算精度，采用以结构性和非结构性网格相结合的划分方法生成网格。流道两端的直管段网格采用Hex（六面体）网格进行划分，中间阀体通道因为结构不规整，因此采用Tet/Hybrid（四面体/混合）网格进行划分，并且为了计算结果更加精确，对节流间隙位置的网格进行了加密处理。由于计算模型具有对称性，故取二分之一模型进行计算，以减少网格数目、节省计算时间。以连续性方程、三维雷诺平均N–S方程和基于各向同性涡粘性理论的k–ε双方程组成黑水阀内部流动数值模拟的控制方程组；采用有限体积法对控制方程组进行离散；流体压力-速度耦合基于SIMPLE算法；入口采用Velocity边界，出口采用Pressure边界；在湍流指定方法中，选择以设定湍流强度和水力直径；对流项差分格式采用二阶迎风，迭代收敛精度为质量源绝对值之和小于1.0×10-4。

本次模拟采用进口为DN50，出口为DN80的黑水阀模型，设置进口流速5m/s，出口压力为0.1Mpa，介质为常温水。

2.2 数值模拟结果与分析

通过数值模拟计算，计算结果如下：

（1）压力场

图2 渐扩角为9°时Z=0截面压力分布云图（Pa）

（2）速度场

图3 渐扩角为9°时Z=0截面速度分布云图（m/s）

由图2可以看出，介质在阀座与阀芯形成的环形间隙位置产生阀内最低压力，且该处流速达到最大（如图3所示）。因此，含有煤渣的高速介质流经时将在该位置发生最初的冲蚀。并且一旦该处的介质压力低于介质的饱和蒸汽压，则会发生闪蒸现象，将对零件造成更为严重的破坏。另外，从图中也可以看出，介质的压力和流速变化梯度在节流间隙较为突出，而随着介质向下流动，变化梯度逐渐趋于缓和。

（3）速度矢量分析

图4 渐扩角为9°时Z=0截面局部速度矢量图（m/s）

由图4可以看出，介质流经节流间隙后在阀座渐扩流道内迅速扩张，形成扩管效应（介质流向改变，流速逐渐降低）。另外，由于流道形状的作用，使得整个介质主流路呈现“Y”型流动，并且流动方向一致，未出现回流现象。

2.3 不同阀座渐扩角时阀门压力变化情况

分别建立阀座渐扩角为0°、3°、6°......27°时三维模型，经网格划分，数值模拟，得到计算结果。

如图5所示，是阀座渐扩角为27°时Z=0截面局部速度矢量图，从图上可以看出，介质在阀座主流路两侧形成了强烈回旋流，干扰流体的正常运动，“占用”主流路空间，并在边界位置产生撞击、分离脱流等现象，带来了附加阻力，从而增加了能量损失。

图5 渐扩角为27°时Z=0截面局部速度矢量图（m/s）

不同阀座渐扩角时，阀门进口和出口截面压力值分别如表1、表2所示：

表1 不同阀座渐扩角时阀门进口截面压力值表

单位：Pa

表2 不同阀座渐扩角时阀门出口截面压力值表

单位：

Pa

分析表1和表2中数值模拟数据，得到以下结论：

（1）不同阀座渐扩角时，阀门进口动压、出口总压/静压/动压值基本保持不变。

（2）进口和出口的各项压力均满足关系式：总压=静压+动压，即符合伯努利方程：

式中：Z1、Z2为进口、出口位置水头；为进口、出口压强水头（静压）； 为进口、出口流速水头（动压）；hL为沿程损失。（注：按照黑水阀流场模拟边界假定条件，忽略位置水头和沿程损失项。）

以上结论的得到，主要决定于边界条件的设定，即：速度进口和压力出口（静压）。由表1数据可知，随着渐扩角的增大，进口静压发生变化。当阀座渐扩角为0°时（即直管型阀座），阀门进口静压最大，为222623Pa；逐渐增大至9°时，静压降至最小，为197120Pa；当继续增加渐扩角时，静压又逐渐增大。这表明，随着阀座渐扩角的增大，文丘里效应逐渐凸显，流阻降低；当角度增加到一定值时，开始出现突扩管效应，流阻又逐渐增加。

2.4 不同阀座渐扩角时阀门Cv值曲线拟合

依据表1、表2中的数据，并按《GB/T4213-2008气动调节阀》中关于阀门流量系数的计算公式，计算出不同阀座渐扩角时阀门Cv值，结果如表3所示。

表3 不同阀座渐扩角时阀门Cv值表