储水罐水位调节阀内部流场数值模拟及流道结构改进

王亚萍　王磊　葛江华　张晶　修立威

摘要：针对某超（超）临界火电机组锅炉储水罐水位调节阀内部流场的漩涡问题，利用CFD技术对其内部流场进行仿真分析，得到该阀在不同开度下的漩涡的分布情况，为流道结构改进设计提供了依据。以扩大阀体内腔，减小阀体内壁边界倾斜度的原则对其流道结构进行改进，提出相应的改进方案，并对结构改进后的阀门在全开时的内部流场进行仿真分析，证明改进后的方案基本消除了漩涡。通过对流场数值模拟和流道结构改进为储水罐水位调节阀的结构设计提供了理论依据。

关键词：储水罐水位调节阀；内部流场；漩涡；流道结构改进

中图分类号：TP391.7 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2015）06-0047-07

0 引言

我国电力事业迅猛发展，超（超）临界技术得到广泛的应用，然而阀门制造行业却发展滞后，电站高端阀门一直依赖进口，特别是重要的调节阀、安全阀。储水罐的水位高低对于超（超）临界锅炉的安全运行至关重要。在发达国家中，通常以数值模拟手段对一系列设计方案进行预选，然后再通过少量的试验来对预选方案进行校核，最后确定最终方案。这样，就能够减少试验次数，同时试验具有目的性和针对性。储水罐水位调节阀安装在储水罐出口处，通过调节排水流量对储水罐水位进行控制。潘广香，王传礼等人采用CFD技术手段以锥阀为研究对象，对其内部流体的流动特性进行了分析，得到了其内部流体的三维可视化图形，以此为依据对其内部流体的流动进行了详细的分析，并以减小振动和消除噪声为目标对其结构进行了优化。董建华，刘艳采用CFD技术以某600MW超超临界汽轮机组高压主汽调节联合阀为研究对象，对其在额定工况下的内部流体流动进行了数值模拟，分析研究了阀门内部流场的流动特性，以及在主汽阀内加置挡板和滤网对内部流场和阀门损失的影响。通过对文献的分析和总结，可以得到以下结论：阀门内部流体流动特性的研究主要集中在普通阀门，对于超（超）临界火电机组阀门的研究相对较少，特别是调节阀，且研究的阀门内部结构都比较简单。

本文以某超（超）临界火电机组锅炉储水罐水位调节阀为研究对象，根据阀芯位移建立该阀门在阀芯不同开度下的流道几何模型和网格模型。采用计算流体力学软件ANSYSCFX对该阀门在实际工作状况下的内部流场进行仿真分析，得到该储水罐水位调节阀在不同开度下的速度分布情况，压力损失状况和漩涡分布情况，根据仿真结果得到在阀芯和二级节流孔板之间流道内靠近阀门开口方向的阀壁处出现较大的漩涡，针对该阀门内部流场的这一问题，对阀门的结构进行了改进。改进后的方案基本消除了漩涡。

1 控制方程

质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律被称为流体力学的三大定律，而流体介质的流动必须要遵循这三大定律。它们是对流体介质运动的一种数学描述。本文采用三维粘性不压缩流体的控制方程组作为数学模型。直角坐标系下，三维粘性不压缩流体流动的控制方程组为：

1）质量守恒方程：此方程也被称为连续性方程，在这个方程过程中：ρ是流体介质的密度，t是时间，u是速度矢量在x轴上的分量，v是速度矢量在y轴上的分量，w是速度矢量在z轴上的分量。

对于不可压缩流体，密度ρ为常数，式（1）变为：

对于定常流动，密度ρ不随时间变化，式（1）变为：

2）动量守恒方程。此定律的实质就是牛顿运动第二定律。本文研究的储水罐水位调节阀内的流体为牛顿流体，动量守恒方程在z，y，z三个坐标上的表达式可记作：在式（4）中，p是作用在流体微元体上的压力，S_uS_v、S_w表示动量守恒方程分别在3个坐标轴上的广义源项。

3）能量守恒方程。本文的研究遵循能量守恒定律，其实质就是热力学第一定律，能量守恒方程可以用矢量表示：

在式（6）中ρ是流体介质的密度，T是时间，u，v，w是速度矢量在三个坐标轴上的分量，p是作用在流体微元体上的压力，S_T是斯坦顿准数。

2.2 网格模型

本文选取ANSYSCFX网格划分工具ICEMCFD对储水罐水位调节阀在不同开度下的流道模型进行网格划分。因为该储水罐水位调节阀阀门内部流体流动复杂，流道三维模型极其不规则，特别是阀芯开口处和二次节流孔处，所以本文采用对模型适应性较强的非结构化网格对储水罐水位调节阀的流道模型进行网格划分。并对流道较窄和重点观测区域设置较小的网格尺寸，使该区域生成数量较多的网格，有利于促进数值结果的正确性。设置全局网格最大允许尺寸为30，体网格采用八叉树生成四面体网格，将模型壁面设置成不同的part：将流体模型人口设置成part：IN；将流体模型出口设置成part：OUT；将流体模型对称面设置成part：SYM；将阀芯壁面设置成part：SPOOL；二级节流孔板的小孔壁面设置成part：HOLE；其余壁面设置成part：WALL。在阀芯开口处，节流孔处以及对称面设置较小网格尺寸。在流体模型除入口，出口和对称面的其它壁面处生成三棱柱边界层网格。各部分的网格尺寸设置如表l所示。生成的网格单元为100万左右，网格质量系数分布均匀，均大于0.2，满足计算要求。图3所示为网格模型的局部放大图。

3 数值结果与分析

3.1 求解参数和边界条件

流体介质为气水混合物，采用IAPWSIF97标准中的Steam5vl，流体域模型参考压力为latm，热量传输为静温330℃，湍流模型设定为k-Epsilon湍流模型，无燃烧，无对流，其余参数依照CFX默认值设定。流体入口设置为入口边界条件Inlet，亚音速流动，静压12.77MPa，选择5%的中等湍流强度，流体流动方向只需符合边界条件即可，流体出口处设置为出口边界条件Outlet，亚音速流动，变量类型设置为出口质量流量20kg/s；对称面设置为对称边界条件Symmetry；其余面设置成无滑移壁面边界条件。求解方式为二阶迎风格式，最大迭代步数100000，平均残差为0.00001。生成“.def”的求解文件并在CFX-Solver中进行求解。

3.2 漩涡分布

储水罐水位调节阀内部流体流动产生的漩涡主要分布在阀芯开启和二级节流孔板之间的流道内以及二级节流孔板的下方流道内，由储水罐水位调节阀在不同开度下的不同位置的对称面漩涡图，如图4至图11所示。

1）阀芯开启处和二级节流孔板之间流道内的漩涡分布：在阀门开度为20%时，由于通过阀体的流体流量较少，所有流体可通过二级节流孔板直接排出，此时在阀芯开启处和二级节流孔板之间的流道内没有漩涡产生。在阀门开度为40%和60%时，由于阀门开度的增大，通过阀门的流量增多，在阀芯开启处下方有漩涡产生，在阀芯开启处和二级节流孔板之间的流道内有多个小漩涡的出现，在开度为80%和100%时，由于阀门开度的继续增大，通过阀门的流量继续增多，在阀芯开启处和二级节流孔板之间的流道内（靠近阀门人口的方向）有大的漩涡出现。

2）节流孔板下方流道内的漩涡分布：在阀门开度为20%时，节流孔板下方无漩涡产生，随着开度的增大，节流孔板下方有漩涡产生，分布在节流孔板下方阀壁处；在节流孔板下方由于节流孔的存在，出现漩涡。

该储水罐水位调节阀开度较大时会在阀芯开启处和节流孔板之间（靠近入口管道一侧）产生较大的漩涡，这种漩涡的长期存在，会对阀体的内壁产生冲击，减少阀体寿命，同时漩涡的存在也是阀门工作产生噪声的主要原因，并可能引起阀门的泄露，影响调节阀的调节精度。因此，该储水罐水位调节阀结构型线并不合理。

4 储水罐水位调节阀流道结构改进

由上文的储水罐水位调节阀在实际工况下的内部流场的仿真分析得到，在该阀门开度较大时会在阀芯开启处和节流孔板之间（靠近入口管道一侧）产生较大的漩涡，这种漩涡的长期存在，会对阀体的内壁产生冲击，减少阀体寿命，同时漩涡的存在也是阀门工作产生噪声的主要原因，并可能引起阀门泄漏。因此，该储水罐水位调节阀结构型线并不合理。因此对该储水罐水位调节阀的结构进行改进。

4.1 储水罐水位调节阀流道结构的改进模型

本文研究的储水罐水位调节阀内部产生的漩涡，是由于阀体内腔过窄和阀体内壁边界较陡，倾斜度较大所造成的。所以本文本着扩大阀体内腔，减小阀体内壁边界倾斜度的原则对该储水罐水位调节阀的内部结构进行改进。

改进方案一：增大阀芯开启处下方的流道区域，进行第一步改进。为了保证二级节流孔板的正常装配，保持l不变，阀芯开启处直径不变，连接ab，bc，同理连接de，ef。图12为储水罐水位调节阀在该方案改进前后的全开时阀门三维实体模型，图13为储水罐水位调节阀在方案一中阀门全开时的流道模型。

改进方案二：在方案一的基础上增大阀腔体积。以ab的中点c为网心，以ab/2长为半径做网得到新的阀腔型线。图14为阀门结构改进前后的阀腔型线，图15为储水罐水位调节阀在改进方案二中的阀门全开时的流道模型。

4.2 储水罐水位调节阀改进模型的内部流场仿真分析

对改进方案中的储水罐水位调节阀在全开时，实际工况下的内部流场进行仿真分析。流动模型的定义与上文中的流动模型定义相同。图16至图19为储水罐水位调节阀在两种改进方案中的全开时，实际工况下的内部流体流动的速度流线图和速度矢量图局部放大图。

由图16和17可以看出，经方案一后，阀芯开启处和二级节流孔板之间的漩涡有所减小，所以方案一可以减小漩涡。

由图18和19可以看出，经方案二后，阀芯开启处和二级节流孔板之间的漩涡与结构改进前相比，明显消失。

通过仿真实验可以得出，增大阀芯开启处下方的流体区域，即方案一对于减小漩涡有一定的效果；合理增大平衡腔的体积，即方案二，可以很好的改善漩涡。由于方案二与方案一比能更好的减小漩涡，故采用方案二。经查阅资料可知流量系数K_v值的大小决定着产生漩涡的漩涡大小。以改进的结构为研究对象，通过对比模拟、理论与实际情况下阀门不同开度下流量系数K_v值和相对误差，进一步验证了方案二改进结果的可靠性，对比结果如图2所示。

5 结语

本文以某超（超）临界火电机组锅炉储水罐水位调节阀为研究对象，利用CFD技术对其内部流场进行了仿真分析，并对其流道结构进行改进，主要完成了以下工作：

1）建立了储水罐水位调节阀在阀芯不同开度下的流道几何模型，并采用ICEMCFD建立该储水罐水位调节阀在阀芯不同开度下的流道网格模型。

2）对储水罐水位调节阀实际工况下的内部流场进行仿真分析，根据漩涡分布情况，得到在阀芯开启处和二级节流孔板之间的流道内的漩涡，为流道改进设计提供了依据。

3）针对该阀门内部流场的漩涡问题，以扩大阀体内腔，减小阀体内壁边界倾斜度的原则对该储水罐水位调节阀的内部结构进行改进，提出相应的改进方案，并对结构改进后的阀门在全开时的内部流体的流动进行仿真分析，证明改进后的方案基本消除了漩涡。

（编辑：王萍）