高紅亮

摘 要：本文介紹了利用solidworks、ansysworkbenc、Fluent等軟件對(duì)轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵系統(tǒng)用杯形閥進(jìn)行流場(chǎng)模擬分析，然后將分析結(jié)果導(dǎo)入公式計(jì)算得出杯閥的流量系數(shù)的方法，為杯形閥門的設(shè)計(jì)提供必要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：杯形閥；流場(chǎng)分析；流量系數(shù)

一、前言

轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵系統(tǒng)是一種現(xiàn)代化的凈化和回收轉(zhuǎn)爐煤氣的工藝方法，是目前國內(nèi)轉(zhuǎn)爐煤氣凈化回收的主流技術(shù)，與傳統(tǒng)的煤氣濕法除塵相比具有節(jié)水、節(jié)電等優(yōu)勢(shì)，節(jié)能效果明顯、且無二次污染，回收煤氣質(zhì)量優(yōu)于原濕法除塵系統(tǒng)。

杯形閥作為轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其作用是對(duì)煤氣回收、放散兩種狀態(tài)的切換，實(shí)現(xiàn)煤氣的凈化回收和合理利用。通過對(duì)杯形閥門進(jìn)行流場(chǎng)模擬分析，得出較為準(zhǔn)確的流量系數(shù)，從而優(yōu)化閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以期達(dá)到預(yù)期的流態(tài)，使干法除塵系統(tǒng)煤氣壓力波動(dòng)盡可能減小，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有很積極的作用。

二、杯形閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

杯形閥由回收杯形閥、放散杯形閥兩種，分別實(shí)現(xiàn)回收、放散功能；結(jié)構(gòu)由伺服油缸、導(dǎo)流筒、閥體、下錐管、閥板、閥桿等部件組成。

三、杯形閥的流場(chǎng)模擬及結(jié)果分析

（一）理想狀態(tài)下的流量系數(shù)曲線。杯形閥的流量曲線取決于導(dǎo)流筒的形狀和閥門的開度，其中導(dǎo)流筒的形狀是根據(jù)工況壓力和閥門開度流量特性經(jīng)三維模擬分析、設(shè)計(jì)的。理想狀態(tài)下的流量系數(shù)曲線如下圖：（圖1）

曲線大致可分為三段：第一段為曲線，流通面積隨行程增加而等比例增加，使閥門從關(guān)閉狀態(tài)到開啟50%左右時(shí)的流量保持等百分比流量調(diào)節(jié)特性；第二段為直線，流通面積隨行程增加而線性增加，使閥門從50%開度左右到80%開度左右時(shí)的流量保持線性流量調(diào)節(jié)特性；第三段為曲線，流通面積的增加隨行程增加而相應(yīng)減小，使閥門從80%開度左右 到100%開度時(shí)的流量保持近似平緩增加的流量調(diào)節(jié)特性。

準(zhǔn)確的閥門流量曲線往往需要通過實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。然而對(duì)于可壓縮性氣體而言，由于通過閥門后其壓力、溫度、容積等狀態(tài)參數(shù)都將產(chǎn)生變化，所以相關(guān)的測(cè)試流量系數(shù)的技術(shù)和試驗(yàn)裝置比較復(fù)雜，而且成本很高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD方法得到廣泛應(yīng)用，通過計(jì)算機(jī)模擬流態(tài)分析法可方便準(zhǔn)確的模擬并計(jì)算出閥門流通能力，得出閥門的流量系數(shù)。這樣即可為我們?cè)O(shè)計(jì)杯閥時(shí)提供相應(yīng)的理論依據(jù)，又能節(jié)省大量的時(shí)間及人力物力等成本

（二）流量系數(shù)的理論計(jì)算式。流量系數(shù)Kv的定義是：流體流經(jīng)閥門產(chǎn)生單位壓力損失（1bar）的體積流量，用每小時(shí)立方米表示。在美國流量系數(shù)用Cv表示，既流體流經(jīng)閥門產(chǎn)生單位壓力損失（1psi）的體積流量，用加侖/分表示。

流量系數(shù)Kv與Cv的換算公式：Kv=1.156Cv。

對(duì)于可壓縮流體流量系數(shù)的計(jì)算公式為：

當(dāng)Δp/P1<0.5FL2時(shí)

Kv=■■

當(dāng)Δp/P1≥0.5FL2時(shí)

Kv==■■

式中 Kv——流量系數(shù)（m3/h） Qv——體積流量（m3/h）

ρ——流體密度（kg/ m3） P1——閥前壓力（bar）

P2——閥后壓力（bar） t——介質(zhì)溫度，℃

FL——壓力恢復(fù)系數(shù)

y——■■

（三）建立杯閥模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。利用Solidworks三維建模軟件對(duì)杯閥進(jìn)行三維流道建模。由于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析屬于大型數(shù)值問題求解，因此為了縮短求解時(shí)間，建模時(shí)應(yīng)避免模型過于復(fù)雜，以免影響分析速度。因此只需畫出閥體、閥板、導(dǎo)流板及管道的簡單模型。然后，應(yīng)用ANSYS workbench仿真計(jì)算平臺(tái)中的ICEM模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。再將網(wǎng)格導(dǎo)入到CFD仿真模擬軟件Fluent中進(jìn)行分析。

（四）設(shè)置邊界條件及運(yùn)行結(jié)果。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)流量系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的規(guī)定，同時(shí)參考實(shí)際實(shí)驗(yàn)中提供的資料及工況數(shù)據(jù)，設(shè)定出適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，邊界條件的設(shè)置我們可以根據(jù)閥門流量系數(shù)的定義來選擇，即閥前閥后壓差為1bar。求閥門各個(gè)開度時(shí)的流量。例如：閥門全部打開時(shí)流態(tài)云圖及流量系數(shù)如下。（圖2為流態(tài)云圖）

經(jīng)分析，閥門全開時(shí)閥門入口平均

流量Qv為266 m3/s

空氣密度ρ=1.293kg/ m3；

閥前壓力P1=2.01325bar；

閥后壓力P2=1.01325bar

介質(zhì)溫度t=20℃。

壓力恢復(fù)系數(shù)FL=0.55，根據(jù)已知數(shù)據(jù)求得Δp/P1=0.475>0.5FL2=0.15

因此可根據(jù)公式求得流量系數(shù)Kv=32267，Cv=27912。

根據(jù)上述過程可以求得閥板在各個(gè)開啟行程時(shí)的流量系數(shù)，繪制出閥門流量系數(shù)曲線圖，如（圖3）所示

（五）結(jié)果分析。通過計(jì)算機(jī)模擬仿真得到的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果會(huì)存在一定的差異，主要有以下原因：（1） 實(shí)際生產(chǎn)后的閥門與仿真模型不一致（實(shí)際加工存在誤差、建模簡化過程中存在誤差等）；（2） 邊界條件和使用條件不一致（實(shí)際測(cè)量壓差及流量值的取值點(diǎn)離閥門中心位置的距離不同，受現(xiàn)場(chǎng)操作空間限制）；（3） 實(shí)際測(cè)量時(shí)，流量及壓力等實(shí)際值存在誤差。

結(jié)語：在設(shè)計(jì)過程中利用流體動(dòng)力學(xué)分析方法結(jié)合三維軟件的應(yīng)用，通過對(duì)杯閥的流態(tài)模擬分析，可以簡單、快速地計(jì)算出閥門的流量系數(shù)，從而為杯閥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了理論依據(jù)，避免了建造實(shí)驗(yàn)設(shè)備所需的大量人力、物力和財(cái)力，為企業(yè)節(jié)約了大量的成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京： 化學(xué)工業(yè)出版社.2008.

[2] 陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè).北京： 機(jī)械工業(yè)出版社.2007.