以航天煤化工系統中某型號黑水調節閥為研究對象，應用CFD數值模擬方法得到了閥門流場特性的可視化效果，根據流場特性對閥門內部閃蒸現象進行了分析，并給出了對現有結構進行改進的建議。

引言

　　煤氣化裝置中，氣化爐底到高壓閃蒸罐及洗滌塔底部到高壓閃蒸罐設置黑水調節閥多臺。這些調節閥工作溫度較高、壓降大、灰渣含量也最高，應能夠耐受通過閥門壓力降引起的高流速，還要耐受閃蒸溶解汽的汽蝕、水的汽化和煤灰顆粒引起的腐蝕及磨蝕。尤其是在第一級閃蒸，黑水從高壓經過閃蒸閥直接降到中低壓，由于閃蒸出大量工藝蒸汽，物料流過閃蒸閥節流元件的速度非常高，導致閥內件磨損嚴重，閥門的使用壽命大大降低。因此，針對這類閥門內部的流場進行CFD數值模擬分析，得到可視化的結果，找出其閃蒸、空化的區域對改進設計結構，提高使用壽命至關重要。

1、黑水調節閥結構簡介

　　黑水調節閥多為角閥，廣泛適用于控制高黏度介質、含有顆粒的流體和泥漿及閃蒸流體等。本文選取DN150，PN11.0的黑水調節閥為研究對象，其三維結構如圖1所示。從圖1可以看出，該型號黑水調節閥主要有閥體、閥蓋、閥桿、閥頭、閥座段和擴散段組成。工作時，介質從入口流入，流經閥頭與閥座之間形成的節流口，再依次經過閥座段和擴散段后流出，通過閥桿的上、下移動改變閥頭與閥座之間的相對位置從而改變流量。

圖1 DN150，PN11.0黑水調節閥三維結構簡圖

2、數值模擬

　　2.1、建模

　　分別建立該型號黑水調節閥開度分別為30%、60%時的流道模型，并劃分網格，其中開度為30%的流道模型如圖2所示。為使流動更充分，出、入口分別延長300mm。

圖2 閥門打開30%時的流道三維模型

　　2.2、數值計算

　　將GAMBIT導出的網格文件讀入FLUENT后，選擇求解器，求解方程及模型(選用k-ε標準湍流模型)。根據表1提供的計算條件設置流體物性及進出口的邊界條件，進行流場初始化，設定控制參數及定義迭代次數后就可以進行求解。

表1 計算條件

　　2.3、數值模擬結果分析

　　由于該黑水調節閥的固有流量特性為等百分比，主要工作區間為開度為10%～90%，選取30%和60%兩個開度進行計算并分析。

　　1)開度為30%時的流場特性

　　從圖3壓力云圖可以看出，節流口前及節流口后的區域壓力分布均勻，不存在壓力陡升的區域，節流口處壓力驟降，出現一小段負壓區，節流口后壓力慢慢回升，但至出口始終沒有超過介質的飽和蒸汽壓力，故從節流口到出口這段區域的壓力都小于介質的飽和蒸汽壓力，因此該段出現閃蒸現象，該閥門能夠實現通過閃蒸將介質壓力降下來的功能。

圖3 30%開度時節流口處壓力云圖

　　由于出現了閃蒸，流動的液體變成有氣泡存在的氣、液兩相的混合體，兩相介質的減速和膨脹作用會形成噪聲。

　　從圖4速度矢量圖可以看出，30%開度下，閥門內的流動比較平穩，節流口前后速度較為均勻。

圖4 30%開度時節流口處速度矢量圖

　　閃蒸對閥門的閥芯會產生嚴重的沖刷破壞，沖刷最嚴重的地方一般是在流速最高處。從圖4～圖6可以清楚看出在節流口處出現高速區，應盡量將這些表面硬化，來抵抗高速流的沖刷。

　　從圖5可以看出，過節流口后有渦流產生，這是因為節流口處的空間不規則，高速射流狀態下引起了流動速度的不均勻，旋渦的出現會使零件受力不平衡，產生振動。

圖5 30%開度時z=0局部速度矢量圖

圖6 30%開度時z=0、x=0局部速度矢量圖

　　2)開度為60%時的流場特性

　　從圖7壓力云圖可以看出，60%開度下與前面所述30%開度下的壓力分布相似，不過60%開度時節流口處的負壓區比30%時擴大了。

圖7 60%開度時節流口處壓力云圖

　　從圖8速度矢量圖可以看出，60%開度下過節流口后的高速區域比30%時有所擴大，這與上面的壓力對比是對應的。通過與其他開度下的速度矢量圖對比，發現隨著開度的增大，過節流口后的高速區域也增大。

圖8 60%開度時節流口處速度矢量圖

　　從圖9兩個截面的速度矢量圖可以看出，過節流口后仍然有渦流出現。

圖9 60%開度時z=0、x=0局部速度矢量圖

3、結論

　　(1)通過數值模擬得到了黑水調節閥的流場特性，根據流場特性可以判斷閥門內部出現閃蒸的區域;

　　(2)根據數值模擬結果，在出現高速流沖擊的區域可以堆焊或噴焊STL合金，這樣可以抵抗高速流的沖刷，從而延長閥的使用壽命;

　　(3)閃蒸帶來的破壞不易避免，但可以通過降低沖刷性流體的速度來減小破壞，下一步可以嘗試改變出口結構，使出口段的流道更符合流線型，以期能夠降低高速流的速度，減小高速流區域的面積。

　　采用CFD分析方法對黑水調節閥內出現的閃蒸現象進行了初步探索，得到了一些基本結論，由于出現閃蒸時介質已變成氣液兩相，因此要得到更準確閃蒸對閥門的影響還需要進行多相流的數值模擬。