煤仓泄压阀流量特性及流场数值模拟

杨 益

（山西省能源发展中心，山西 太原 030006）

0 引言

煤仓泄压阀是粉煤干粉气化进料系统中煤仓、平衡煤斗放空调压的重要阀门之一[1]。在工业生产中，由于煤仓泄压阀使用条件苛刻，使用过程中压缩比相当大的气体放空，且带有煤粉颗粒，导致大量的噪声产生，甚至内部零件磨损。

某一阀入口内径34 mm、出口内径42 mm，公称压力PN40 的煤仓泄压阀（图1-1）使用过程中发现该泄压阀有噪声产生。将泄压阀拆解检查，发现泄压阀是由1 级阀笼、2 级减压组件和3 级阀笼进行流量控制，且该三处阀门组件表面均出现了大量的磨损，如图1-2 所示。煤仓泄压阀内部介质的流动特性对其磨损影响巨大，并严重缩短其使用寿命，因此能够准确获取煤仓泄压阀内部介质流动的规律，是具有非常重要的工程应用价值[2]。

近年来，诸多学者通过数值模拟的方法对工业各式阀门进行仿真研究。沈国强等采用数值模拟的方法对其设计的套筒调节阀进行建模计算，获得阀内介质流动规律，对调节阀进行结构优化设计；Taimoor Asim等通过对调节阀构建模型，数值模拟研究调节阀结构对介质流动的影响[3-4]；张希恒等采用基于流声场声振耦合的方法对调节阀空化噪声进行数值模拟获得阀门噪声控制机理[5-7]。本文通过流体计算软件模拟煤仓泄压阀不同开度时高压放空，研究煤仓泄压阀阀内流场，分析阀内介质压力、速度和温度分布，获取其内部介质流动规律，为后期优化设计提供支撑。

1 流动控制方程

对于阀门内流体流动计算，都涉及到质量守恒方程和动量守恒方程的求解，此外还有湍流问题，需要选择合适的湍流模型[8]。

1.1 连续性方程

式中：ρ 为流体密度；ui为方向上的速度。

1.2 动量方程

式中：p 为流体静压强；τij为应力张量；Fi-i为方向上重力体积力；ρui'uj'为雷诺应力。

1.3 能量方程

对于流动系统的能量转换，亦要遵循能量守恒定律。

式中：keff为有效传导率，由热传导率和湍流热传导率组成；Jj为组分的扩散流量。

1.4 湍流模型

在FLUENT 中，标准k-ε 是个半经验的公式，是通过湍流理论、实验现象，对雷诺应力提出假设而得到。

式中：i 为自由指标；j 为哑指标；Gk为层流速度梯度产生的湍流动能；Gb为浮力作用产生的湍流动能；YM为可压缩气体波动耗散的湍流动能；ακ和αε为k 方程和ε 方程的普朗特数；C1ε、C2ε、C3ε分别为常数。

RNG k-ε 模型是由标准k-ε 模型基于重整化群理论演变而来，考虑了平均流动中的旋转流动的影响，修正了流体湍流黏度，并在ε 方程中添加附加项Rε。

Xu H 等[9]研究表明，RNG k-ε 湍流模型最适合减压阀内高速流动计算，故本文选取RNG k-ε 模型作为湍流模型，RNG k-ε 模型中常量取值C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09、αk=l、αε=1.3。

2 流动分析模型建立

2.1 网格处理

在保证煤仓泄压阀关键几何区域的基础上为提高计算的效率，对阀体介质流动区域作了适当的简化。计算模型采用Cooper 网格划分方法，由于1 级阀笼、2 级减压组件和3 级阀笼结构复杂，如图2-1 所示；网格差异较大，且为流动剧变区域，因此对该区域进行加密处理，如图2-2 所示。

图2 煤仓泄压阀结构示意图及网格划分

2.2 边界条件

本文将研究阀门开度为30%、50%、70%、90%，100%时的阀内介质流动的情况。阀内介质为25 ℃的可压缩氮气，进出口边界条件选择压力入口与压力出口，入口压力为4.8 MPa，温度为298 K，出口压力为0.1 MPa。

3 阀体流量特性

阀体的理想流量特性是由阀芯的形状所决定，典型的理想流量特性有直线流量特性、等百分比（或称对数）流量特性、抛物线流量特性和快开流量特性，如图3 所示[10]。

图3 调节阀理想流量特性

本文研究煤仓泄压阀的工作流量特性即为其理想流量特性。但由于其特殊的多级减压结构，难以通过截面形状来判断其流量特性种类，也难以准确求得阀体流通面积，因而需要通过数值模拟的方法来计算不同开度下的流量。计算结果如表1 所示，流量特性拟合曲线如图4 所示，可以判断近似为快开型流量特性。

图4 流量特性曲线

4 阀体内部流动结果分析

4.1 多级减压压力变化过程

图5 为不同开度下煤仓泄压阀截面压力分布图。流体经由1 级阀笼，再经2 级减压组件，最后流经3级阀笼，最终压力减小至出口常压。阀体的压力梯度主要体现在2 级减压组件处。当阀门开度较小时，流体流量较小，1 级阀笼和3 级阀笼流通面积较大，流体流速变化不大，因此节流减压效果不明显。2 级减压组件减压机理与阀笼相似，也是通过改变流通面积以达到调节压力的目的。2 级减压组件流通面积较小，起到主要减压作用。此外2 级减压组件两侧的压力较中间区域相比较低，这是由于流动漩涡产生的低压区域。随着阀门开度增大，1 级阀笼和3 级阀笼节流减压作用增强，阀内压力梯度增大。

图5 不同开度下对称面压力（Pa）分布

4.2 多级减压速度变化过程

从图6 可知，流体通过经1 级阀笼时发生绝热压缩，流体压力减低，速度增大。高速流体流出后在2 级减压组件腔内相遇，形成漩涡。流体流经3 级阀笼后，从小孔中流出，被迫改变流向，相互挤压着流入壁面低压区域，产生回流，再次形成漩涡流动。这是因为流体经笼罩内流出后在2 级减压组件腔内相遇，在高速流体的挤压下，一部分流体向阀腔上表面运动，遇到壁面后往近壁面低压区域流动，另一部分流体向下汇成高速流，产生分离现象，形成漩涡。对比不同开度下阀内流体的流动情况可知，速度最大值均出现在2 级减压组件处，主要原因是2 级减压组件处发生结构突变，流通面积剧减，且突变程度相较孔板区域较大，见图6。随着阀门开度的增大，内部流体的最大速度不断减小。

图6 不同开度下对称面速度（m/s）矢量分布

4.3 多级减压温度变化过程

由图7 可知，流体在阀内流动，进出口温度基本保持不变。其原因在于整个流动过程绝热，因此出口温度与入口温度基本相同。只有流体流经节流减压组件（即1 级阀笼、2 级减压组件和3 级阀笼）后会经历绝热膨胀过程。

图7 不同开度下阀体的温度（K）分布

根据热力学第一定律可知，该过程是等熵过程，所以处于该位置的流体温度会有所下降。

5 结论

本文通过流体计算软件对“1 级阀笼、2 级减压组件和3 级阀笼”的多级减压结构的煤仓泄压阀建模，数值模拟，并得到减压阀流量特性以及内部介质流动规律有关的结论:

1）本文研究的煤仓泄压压阀流量特性近似快开型流量特性。

2）从流道结构上发现了流道漩涡，探讨了阀内漩涡的存在与产生的机理。

3）流体压力和速度最大梯度在2 级节流组件处；随着阀体的开度增大，内部流体压力、速度梯度不断减小；温度场变化不明显，入口温度与出口温度基本相同。