用数值模拟还黑水调节阀的真实工作情况

咖喱日田

　　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。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。

　　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。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。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zui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。

　　黑水调节阀固液两相流数值模拟：

　　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。

　　2、两相流理论的研究模型

　　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。

　　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。