冶金工业的矿浆
调节阀存在着严重的磨损等问题，极大地影响了其有效运行周期，降低了经济效益。因此，开发适用于高参数工况、能够长周期运行的
阀门产品，已经成为阀门制造业和使用部门共同关注的问题。设计工业调节阀不仅需要解决使用材料的材质问题，而且需要精确了解阀门的水力特性，从而为阀门改进设计提供依据。
近年来，随着计算机和CFD技术的迅猛发展，发达国家已经在阀门的研究与开发中运用CFD技术进行设计方案的改进，再加以少量的试验来进行校核，基本上能做到避免带有盲目性的试验，但我国目前阀门对
流量调节阀内部流场研究较少，使得设计和使用流量调节阀处于一种半经验状态。为了更加精确地分析流量调节阀的性能，运用数值模拟的方法分析其内部流场是十分必要的。
本文将运用商用CFD软件FLUENT，对
矿浆调节阀不同工况下的流动进行了三维的数值模拟。以调节阀内部的流动分析结果为依据，通过改变阀门结构实现调节阀改进设计。改进后的阀门基本解决了水流冲击出口段上壁面的现象，减小了阀门磨损；因此阀门三维流场的数值模拟对调节阀的优化设计有一定指导作用。
一、调节阀流道模型与计算方法
1、控制方程
阀内部流动介质为矿浆，为简化计算，选择流动模型为单相流体的不可压缩三维粘性流动，采用不可压缩流动的雷诺时均方程组与k2ε湍流模型构成封闭的方程组来求解。
(1)连续性方程
(2)动量方程
(3)湍流动能k的输运方程
(4)湍流耗散率ε的输运方程其中
其中
式中
ρ———密度
p———压强
u、v、w———速度矢量
k———湍动能
ε———耗散率
ν
t———湍动粘度
G
k———由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项
σ
k、σ
ε———与湍动能和耗散率对应的P
r数
在标准k－ε模型中，根据Launder等的推荐值及相关的实验验证，模型常数的取值为：C
1=1.44，C
2=1.92，C
μ=0.09，σ
k=1.0，σ
ε=1.3。
2、阀门流道模型及网格划分
调节阀的结构如图1所示，基本技术参数：流动介质为溶出矿物浆料；流体密度为1500kg/m
3；体积流量为300m
3/h；工作温度为300℃；进口压力为5MPa。
图1 原型阀门结构示意
采用Pro/E对原型阀门的通流部分做三维实体建模，根据阀门的对称性，取阀门内流通域的一半作为计算区域。
计算模拟部分采用FLUENT6.1商用软件。
网格划分采用了非结构混合网格技术，利用FLUENT软件包中的前处理软件GAMBIT强大的网格划分功能，保证了网格的质量，网格总数达60万，如图2所示。采用自适应的网格技术对流场进行调整使其模拟出更加精细的流动。
图2 原型阀门50%开度下流道模型及网格划分
3、计算方法
采用不可压缩流动的雷诺时均方程组，湍流模型采用标准k－ε模型，近壁区采用壁面函数法处理；所有方程中的对流项均用二阶迎风格式离散，离散方程的求解采用压力耦合方程组的半隐式方(SIMPLE算法)。边界条件规定进口总压力和出口压力；计算中忽略了重力对流场的影响；全流场计算了定常流动，最后采用适应性的网格技术，得到阀内流场的详细分布情况。
二、计算结果及对比分析
为研究阀门的流场特性，对以上调节阀背压分别在0、1、2、3、4MPa下，开度为50%及100%的工况进行了模拟。
1、原型调节阀流道的流场分布
图3、4为阀门在不同工况下，入口压力4.5MPa，背压0MPa，纵向剖面Y2Z速度场的分布情况。
图3 阀门50%开度下，入口压力4.5MPa，背压0MPa，速度场的分布情况(纵向剖面Y2Z)
由图可以看出，在阀门流出段管道内的流场分布不均匀，阀门的水流冲击出口段上壁面的现象比较明显，而且伴有较大的回流区，阀体在工程实际运用中将会磨损比较严重。
从图3、4中给出阀门流场的对比来看，处于100%开度下的阀门出口管道中流场参数分布是相对比较均匀的，而50%开度下的分布却很不均匀，流线都是偏向一侧的，随着阀门开度的减小，这种偏转趋势更加明显(见图3)。在小开度工况下，这种偏离会更加突出，从而使得调节阀的出口段壁面受到严重磨损。鉴于上述原因，需采取适当增大阀门腔体容积的措施来使得在开度比较小的工况下阀门出口管道中的流场参数分布相对比较均匀，以达到优化阀门的目的。
图4 阀门100%开度下，入口压力4.5MPa，背压0MPa，速度场的分布情况(纵向剖面Y2Z)
2、改进后调节阀的流场分布
为了改善矿浆对阀门出口段上壁面的冲刷，对原调节阀作了以下几方面的改进：(1)增大了阀门腔体的容积；(2)上移阀门出口；(3)加长了出口管段。
从图5、6可以看出，由于阀壳上部的腔体扩大，在阀门流出段管道内的流场分布比较均匀，已经完全改善了原型阀门的水流冲击出口段上壁面的现象。因此，此次阀门的改型效果明显，基本达到不冲击出口段上壁面的要求。
流体流过逐渐扩张的管道时，由于管道截面积的逐渐扩大，使得流速沿流向减小，压强增高，且由于粘性的影响，在靠近壁面处，由于流速小，流体动量不足以克服逆压的倒推作用，因而在靠近壁面处出现倒流现象从而引起旋涡，产生能量损失。渐扩管的扩散角θ越大，旋涡产生的能量损失也越大，θ越小，要达到一定的面积比所需要的管道也越长，因而产生的摩擦损失也越大。所以存在着一个最佳的扩散角θ。在工程中，一般取θ=6°～12°，其能量损失最小。θ在60°左右损失最大。根据实际工况需求，本文改进后阀门的扩张管道分别由θ=10°、45°、15°(CFD数值试验的结果)三段不同的边界连接而成。
图5 阀门50%开度下，入口压力4.5MPa，背压0MPa，速度场的分布情况(纵向剖面Y2Z)
图6 阀门100%开度下，入口压力4.5MPa，背压0MPa，速度场的分布情况(纵向剖面Y2Z)
由于阀门腔体的增大，调节阀的流量调节特性会发生相应的改变。评价调节阀流量调节性能优劣的基本标准是：具有较高的流量调节精度，阀芯定位准确，即在有效行程区内流量调节精度要小，流量调节范围大，另外，还要求阀全开时的阻力要小。由图3、6中也可以看出，阀芯行程的增加使得行程的分辨率较高，有利于阀门的调节。本次优化通过分析研究流体在阀门管道中流动时的基本流态及阀道产生严重磨损的主要原因，对阀门管道的边界进行改进，改进了阀门结构；改进后的阀门基本解决了水流冲击出口段上壁面的现象，减小了阀门磨损，对调节阀的优化设计有一定的指导作用。
3、阀门流量系数的对比
阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，流量系数表示流体流经阀门产生单位压力损失时流体的流量。阀门流量系数的计算见表1，表中的计算数据来源于数值计算结果，采用入口压力4.5MPa，背压0MPa的情形。
流量系数值计算式：
式中
Av———流量系数，m
Q———体积流量，m
3/s
Δp———阀门的压力损失，Pa
ρ———流体密度，kg/m
3 由图7、8及表1可以看出，改进后的阀门流量系数要优于原型阀门(100%开度下也是如此)，同时阀门流量—开度关系曲线将会受到影响，但对于不同开度下同一种阀门工况而言，一般情况下全开流动状况要好于半开，其中存在着一个最佳工况。若想进一步降低阀门压力损失，可以调节阀门开度使其在最佳工况下运行。
图7 原型阀门50%开度下流量系数变化
图8 改进后阀门50%开度下流量系数变
表1 改进前后阀门流量系数计算值
三、结论 1、CFD与工程研究相结合，有助于工程设计的改进；并能减少实验的工作量，节约成本。
2、阀门结构的改变对流量调节特性会产生较大的影响。调节阀的优化设计虽然重点解决了原型阀门水流冲击出口段上壁面的问题，但在流量调节特性研究方面还有待进一步的改进完善，才能使其优化效果达到最佳。
3、改进后阀门流速分布比较合理，阻力系数优于原型阀门。从三维数值计算分析可以看出，已经完全改善了原型阀门的水流冲击出口段上壁面的现象，采用本文的优化方案对于阀门的优化设计有一定的指导作用。
4、采用了单相流体定常流动模型，计算结果可以满足工程设计分析的基本要求。若需要模拟出更加精细的结果，可以采用多相流体模型。
参考资料
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