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煤化工专用控制阀多相流流场特征研究

作者:佚名     发布日期:2014-12-29      点击:   

煤化工是一个以煤为原材料,通过化学加工的方法将煤转化成固体、液体和气体燃料及其他化学品的行业。作为煤化工中的核心应用部件———控制阀,其使用环境十分严苛,控制阀内通常流通着由气、液、固组成的多相流,并且在高温、高压、高腐蚀的环境下进行工作。所以控制阀的阀芯、阀座等部位的表面很容易被冲出呈现流线形的细槽,产生侵蚀;同时阀门中高速流动的流体,极易产生闪蒸或者是空化的现象,会释放出非常大的能量,对阀内结构和节流元件产生强大的破坏作用。

针对上述问题,诸多学者展开了对煤化工专用控制阀磨损机理及其强化技术的研究。王志国在对国外进口的研究基础上,自行研制出了能满足水煤浆气化使用工况的锁渣阀。Athanasatos等人对典型控制阀的应用情况进行分析,通过实际装备使用过程中所反馈出的问题对控制阀的现状进行了详尽的研究。尚翠霞等人利用Pro/E建立了控制阀的几何模型,采用ANSYS进行结构计算,实现流固耦合数值仿真计算。田雪梅分析了控制阀特性曲线畸变的因素,并提出了改善这种情况的解决办法。

本文以煤化工中最常用的控制阀———气动角式黑水阀为研究对象,基于可实现k-ε(Realizablek-ε)双方程湍流模型,利用计算流体力学(compu-tational fluid dynamics,CFD)软件,通过有限元分析法(finite element analysis,FEA),对流场中的湍流特征进行研究,对湍流流场内的压力、速度对阀门的影响进行分析,得到流体与阀壁相对压力、速度矢量的分布,再结合Preston磨削经验公式,对控制阀内最易磨损的区域进行预估,以便为后续控制阀的结构优化设计及表面强化打下基础。

1 控制阀内湍流流场分析

根据黑水阀的工作特性,阀内流体主要为煤粉(固)、水(液)和气泡(气)组成的多相流,其中液相比例较大。为了方便分析计算,将运动特性相似的气、固两相合并简化为一相(固相),所以流经控制阀的流体可被视作为固-液两相流。

黑水阀在实际使用的环境中,其内部成分主要以水为主,为了简化计算,忽略固、液两相之间的耦合作用,对流体相对运动速度、密度、粘度等进行分析时,可用水的速度、密度和粘度近似代替。本文控制阀内流体雷诺数计算如下:

控制阀内流体的密度:ρ=805kg/m3。

流体的主要成分为水,粘性μ=0.001kg/m?s。

控制阀全开时,流量达到最大值.假设工作时控制阀全开,其入口处的流速:υ=1.0m/s。

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