用數(shù)值模擬還黑水調(diào)節(jié)閥的真實(shí)工作情況

　　閥門是石油、化工、電站、造紙、核工業(yè)、長(zhǎng)輸管線、各種低溫工程、海洋采油以及宇航等流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有導(dǎo)流、截止、調(diào)節(jié)、節(jié)流、防止逆流、分流或溢流卸壓等功能。調(diào)節(jié)閥工作溫度較高，應(yīng)能夠耐受通過(guò)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。黑水即為水煤漿氣化工藝中在洗滌塔和氣化爐的生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的，因此對(duì)某型號(hào)黑水調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析，得到可視化結(jié)果，找出其閃蒸、空化區(qū)域，并對(duì)該區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，延長(zhǎng)其使用壽命，具有重要意義。
 

　　黑水調(diào)節(jié)閥本質(zhì)上是角閥的一種。它從結(jié)構(gòu)上可以分為流開(kāi)型(底進(jìn)側(cè)出)和流閉型(側(cè)進(jìn)底出)兩種。由于本案例中的調(diào)節(jié)閥用于煤化工氣化工藝中，其介質(zhì)含有煤渣、煤塵等雜質(zhì)，為了防止流道堵塞，采用流閉型調(diào)節(jié)閥。主要用來(lái)處理流經(jīng)氣化爐和洗滌塔的黑水介質(zhì)。黑水中含有Cl-、HS等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，同時(shí)還有很多硬質(zhì)顆粒，固相含量高達(dá)3000mg/L，并且固相硬度很高，固相摩氏硬度可達(dá)7Mohs(剛玉陶瓷摩氏硬度)，閥門進(jìn)口壓力3~6MPa，可承受0.3~1.5MPa的壓差。而且其工作溫度達(dá)250℃。黑水中的固體顆粒易發(fā)生沉積、結(jié)垢現(xiàn)象，容易堵塞閥門流道和工藝管道。當(dāng)流體流過(guò)節(jié)流斷面時(shí)，還有可能產(chǎn)生氣液兩項(xiàng)共存的狀態(tài)，即發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，這對(duì)閥芯和閥體造成了很大的危害，而且黑水介質(zhì)中的硬質(zhì)固體顆粒對(duì)閥內(nèi)件和管道的高速?zèng)_刷，很大程度上損壞了閥門，而且產(chǎn)生了劇烈的震動(dòng)和噪聲。由此可知，該閥門的工作狀況比較惡劣，我們用數(shù)值模擬的方法zui大程度上去還原該閥門的真實(shí)工作情況，通過(guò)流場(chǎng)的可視化分析找到其閃蒸、空化的部位，為今后閥門的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了一定的參考。
 

　　黑水調(diào)節(jié)閥固液兩相流數(shù)值模擬：
 

　　1、建模：用三維軟件UG分別建立該調(diào)節(jié)閥開(kāi)度十種開(kāi)度下的三維模型，并抽取其流道，并將其劃分網(wǎng)格，流道劃分采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方法。因?yàn)樵摿鞯滥Ｐ褪顷P(guān)于中心面對(duì)稱的，為了便于計(jì)算和分析，我們采用其一半的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及流場(chǎng)分析。
 

　　2、兩相流理論的研究模型
 

　　①把流體當(dāng)成連續(xù)介質(zhì)，把顆粒當(dāng)做離散相，探討顆粒動(dòng)力學(xué)；
 

　?、诔税蚜黧w當(dāng)做連續(xù)介質(zhì)，把顆粒群也當(dāng)做擬流體，假設(shè)它在空間有連續(xù)的壓強(qiáng)分布和速度分布以及等價(jià)的輸運(yùn)性質(zhì)。
 

　　在當(dāng)前的兩相流研究當(dāng)中，對(duì)離散相顆粒的模擬是關(guān)鍵問(wèn)題，而且對(duì)在連續(xù)流體中的離散相顆粒有不同的處理方法。
 

　　3、數(shù)值計(jì)算：將msh文件導(dǎo)入Fluent進(jìn)行計(jì)算。本文算例采用壓力基求解器，湍流模型采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型，由于該介質(zhì)中含有固體顆粒，而且介質(zhì)中含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%左右，我們可以把各相看成互相貫通的連續(xù)體，滿足Mixture模型的基本要求，所以我們采用的多相流模型為Mixture模型。采用SIMPLEC算法，單元中心的變量梯度選擇Green-GaussNodeBased，壓力的插值方法選擇PRESTO！其他項(xiàng)采用一階迎分格式。求解過(guò)程中適當(dāng)調(diào)節(jié)松弛因子直到計(jì)算收斂。入口邊界條件：壓力入口，p1=3.72MPa。含固體積分?jǐn)?shù)0.12。工作溫度211℃。出口邊界條件：壓力出口p2=0.5MPa。壁面條件：無(wú)滑移壁面。默認(rèn)設(shè)置對(duì)稱軸條件。材料特性：液體密度852kg/m³，211℃時(shí)動(dòng)力粘度0.000127kg/m2s。固體顆粒直徑0.05mm，密度1200kg/m³。需要注意的是，不同開(kāi)度下的模型需采用相同的邊界條件進(jìn)行設(shè)定。