防喘振调节阀门国产化研究：《离心压缩机防喘振调节阀CFD工况模拟分析》

1.1  阀门参数

阀门型式：笼式阀

工作压力：0.58 MPa

设计压力：Class 150

泄漏等级：CLASSⅤ

主体材质：A351 CF3

规    格：600 mm

工作温度：40 ℃

1.2工况参数(表1)

1.3工况介质

防喘振调节阀用于合成循环气压缩机的防喘振调节控制，介质为合成气，其主要成分见表2

按IEC 60534标准^[1]、[2]设计阀门结构，并利用UG软件建立三维模型。根据工业过程控制阀流通能力试验程序^[3]、[4]的规定，阀门前后管段分别取2~6倍公称通径的长度。将三维模型导入ANSYS Workbench DM中反向生成流道实体模型（图1a）。流道模型网格由ANSYS Workbench Mesh软件划分生成，采用四面体/六面体混合网格进行划分，前后管道划分六面体网格，阀体流道部分划分四面体网格，阀瓣面与流体接触区域网格进行了局部加密处理以使计算结果更加精确（图1b、图1c）。

(a)

 (b)

(c)

         （a）流道模型 (b)流道内壁 (c)网格模型

        图1防喘振调节阀内部流道网格模型

      计算防喘振调节阀2种使用工况下的阀门开度，通过工况1、工况2下的流量系数C₁、C₂，将其代入阀门流量特性曲线中得到对应工况下的阀门开度分别为85.3%、29.76%。

（1）流场CFD模拟计算（工况1）

采用流场仿真软件CFX对防喘振调节阀内流场进行模拟计算，以时均N-S方程为流体流动基本控制方程，以标准k-ε双方程为湍流模型，采用具有二阶精度的迎风格式，以基于离散单元中心有限体积法流域离散的方法，通过Couple耦合求解方法进行流场的速度压力求解。

模拟计算边界条件选取压力进口和压力出口，参考压力为0.1 MPa，设定求解器的迭代步数为3000次，迭代收敛控制方程采用RMS方法，精度设置为10e^-5，并对入口流量和出口流量进行监测。介质采用工况1下的合成气，计算工况1对应开度下防喘振调节阀的稳态流场，当残差曲线达到收敛值或基本不变并且监测的变量保持不变时，则计算结束。

    防喘振调节阀在工况1时CFD稳态流场计算结果分析如图2所示。(a)

 (b)

 (c)

（a）压力云图（b）速度迹线云图(c)速度云图

图2 防喘振调节阀切片云图(工况1)

当防喘振调节阀处于工况1对应的85.30%开度时，阀门入口、出口段合成气流线分布相对比较均匀，流动较为平稳。流经套筒处时，因其节流作用使得流线变得混乱，且在节流部件周围形成明显的旋涡，中心面上最大速度为95.73 m/s。由图2（b）可以发现在阀门的入口段，流速分布相对均匀为35.81 m/s，由于流道截面积的减小导致流体流速增加，随后因流道截面积变大而流速稍有减小。在合成气流经阀喉处时，因阀座与阀瓣底部之间流道截面积减小，并且受到套筒节流小孔的影响。当流经套筒时，流体压能急剧转化为动能，流速继续加快，节流效果显著。最大流速主要集中在流出套筒的流道内，由图2（c）可知，整个流道最大流速达到71.62 m/s。

（2）流场CFD模拟计算（工况2）

采用流场仿真软件CFX对防喘振调节阀内流场进行模拟计算，调整阀门开度，其余软件设置同工况1。工况2下CFD稳态流场计算结果如图3所示。(a)(b)

 (c)

(a)压力云图 （b）全局速度迹线云图 (c) 全局速度云图

图3 防喘振调节阀速度分布云图(工况2)

由图3可以看出，当防喘振调节阀处于工况2对应的29.76%开度时，阀门入口、出口端合成气流动较为平稳。流经套筒处时，流动变得混乱，且在流向改变时形成明显的旋涡。入口段速度为15.54 m/s，分布相对均匀。流经套筒左下方拐角时，内侧合成气的流速明显增大并沿着流动方向急剧增大，流道局部区域最大速度为24.78 m/s。当合成气流经套筒时，由于受到套筒节流小孔的影响，流线分布变得混乱，流体压能急剧转化为动能，流速继续加快，节流效果明显。最大流速主要集中在流出套筒的流道内，由图3（c）可知，整个流道最大流速达到49.55 m/s。