基于CFD数值仿真的喷射脉冲清洁角阀喷吹量计算方法

刘 尧，杨军社

(西安航天远征流体控制股份有限公司，陕西 西安 710100)

0 引言

喷射脉冲清洁角阀是一种广泛应用于煤化工、多晶硅及精细化工行业中专为过滤系统设计的快开脉冲波纹管截止阀。阀门通常安装在过滤器顶端，工作时，阀门快速打开和快速关闭产生脉冲气流，反向吹除安装在过滤器内部滤芯上的杂质，保证过滤器内滤芯压差在一定的范围之内正常工作。脉冲反吹角阀的工况喷吹量指在工况温度、工况压力和工况介质条件下，阀门动作一次流经阀门的气体质量或气体体积(行业内一般指气体体积)。脉冲角阀的喷吹量直接影响过滤器的压差，因此过滤系统设计之前，需要准确估算阀门的单次喷吹量[1]。针对某种特定阀门，若喷吹量估算过小，会导致设计中压缩机功率选型过小，实际工况中上游系统给阀门供气不足，压缩机超负荷运行；若喷吹量值估算过大，会导致设计中滤芯有效过滤面积较大，实际工况中导致滤芯表面的杂质无法被有效吹除，滤芯被堵塞甚至损坏，滤芯两侧压差无法保证，造成系统故障。因此，精确计算阀门在工况下喷吹量对反吹系统的设计至关重要。另外，针对过滤系统，若能提高单台阀门的喷吹量，则可减少阀门的应用数量，节省成本。

目前国内对于布袋除尘用脉冲反吹角阀喷吹性能研究较成熟。文献[2]针对布袋除尘用脉冲反吹角阀在低压0.9 MPa，实验室温度20 ℃下的喷吹量测试搭建了试验系统,可精确测试出阀门在低压、室温状态下的喷吹量。文献[3]利用试验法，测得1 MPa以下、室温环境中压缩空气的喷吹量。文献[4]利用试验法获得脉冲阀的喷吹量，但布袋除尘脉冲阀工况环境均为常温、1 MPa压力以下，搭建试验系统容易实现。而对于工业环境用高温、高压喷射脉冲清洁角阀，试验室难以搭建满足其工况要求的测试系统。针对喷射脉冲清洁角阀多工作于高温高压工业环境中，设计阀门的关键参数喷吹量和流动性能难以通过实验室模拟测量，以及传统理论计算误差较大的问题，提出了基于CFD数值仿真的喷射脉冲清洁角阀喷吹量及流动性能分析方法。

1 计算原理

本文所选用计算模型为应用在化工领域的某型号阀门，其特殊高温、高压工业应用环境详细技术参数：阀门规格为DN50，工况介质为H2、氯硅烷，阀前压力P1=3.0 MPa，阀后压力p2=2.5 MPa，工况温度T=448 K，介质密度ρ=2.13 kg/m3，介质粘度为0.12 cP，阀门打开时间t打开=92 ms，阀门关闭时间t关闭=76 ms，阀门完全打开时间t完全打开=82 ms。阀门的打开时间指阀门从关闭状态到最大行程状态消耗的时间；阀门的关闭时间指阀门从最大行程状态到阀门完全关闭状态消耗的时间；完全打开时间指阀门处于最大行程状态下的保持时间。

喷射脉冲清洁角阀在打开和关闭过程中，开启高度不同，每个瞬间的体积流量均不同。但是阀门动作速度快，打开时间小于100 ms，关闭时间小于100 ms，在中间开度下均为瞬态值，因此仅计算阀门在完全打开状态下的体积流量，将阀门打开时间和关闭时间总和的一半近似看为阀门处于全开状态。得到反吹角阀单次喷吹量计算公式为：

Q总=Q全开×t全开

(1)

本文计算模型阀门外形图见1，全开状态的内部结构见图2。

图1 阀门外形图Fig.1 Valve outline drawing

图2 阀门全开状态内部结构图Fig.2 Internal structure of valve in full open state

2 理论计算方法

实际工程设计中，阀门的体积流量理论计算方法为：应用阀门在实验室全开状态下测试得到的流阻系数反推出阀门在工况全开状态下的平均流速，根据平均流速计算阀门在全开状态下的体积流量求得阀门动作一次的喷吹量。具体计算过程，阀门在全开状态下的平均流速计算公式[5]如下：

(2)

(3)

式(2)、式(3)中，v平均为工况阀门全开状态下平均流速；Δp为工况下阀门前后压差，Δp=p1-p2；k为流阻系数；ρ为工况下阀门的密度；D为阀门流通直径。

经过理论计算，阀门工况喷吹量为：690.02 Nm3。

3 基于CFD数值仿真计算

CFD数值仿真计算方法为根据阀门实际工作参数，用数值仿真的方法计算出阀门在完全打开状态的质量流量，根据阀门完全打开状态下的流量值计算阀门工况下动作一次的喷吹量。主要流程为UG三维建模、抽取流道、ICEM划分网格、Fluent流场仿真、CFD-POST后处理。

3.1 建立仿真模型及划分网格

用UG软件构建反吹角阀阀体部分三维模型并进行优化：1)优化波纹管部分结构，波纹管部分的流动基本处于滞止状态，对阀门内部流道的流动性能几乎无影响，但波纹管波纹部分曲面尺寸小、网格划分数量多，为了提高计算效率及计算精度将波纹管部分简化为直管段；2)优化进、出口结构，阀体内部结构不规则，流体在流道内流动复杂，不稳定，极易出现涡流、回流现象，工业应用中阀门出、入口均设有直管段，为了使模拟状态接近工业应用，计算结果更精确，采用延长阀门出入口相对长度使阀门进、出口的流体充分流动，延长距离为6D。原始三维模型见图3，优化后三维模型见图4。

图3 原始三维模型Fig.3 Original 3D model

图4 优化后三维模型Fig.4 Optimized 3D model

抽取优化后的阀体三维模型内部流道，图5为阀门内部流道三维模型。采用ICEM软件对内部流道模型进行划分网格，采用非结构化四面体网格。为提高计算精度，对阀芯、阀盖、密封填料等影响流动性能的关键部位处网格进行了加密，流道模型所有壁面设置边界层，并采用自适应的网格技术对网格进行优化，优化后的网格总数量为220万。图6为阀门全流道网格模型。

图5 阀门流道三维模型Fig.5 3D model of valve

图6 阀门全流道网格划分Fig.6 Mesh of valveflow channel

3.2 边界条件及计算模型设置

将上述网格模型导入Fluent中。已知工业应用中，快开波纹管脉冲阀内介质雷诺数Re>2 500，流动方式为湍流。湍流模型选择Standardk-ξ，SKE模型对阀门类封闭腔内边界层、低雷诺数的模拟较精确[6-8]。介质模型为实际气体，自定义混合气体，介质为氢气和氯硅烷，设置介质的密度、粘度等参数。边界条件设置：入口压力3 MPa，出口压力2.5 MPa，其余设置为Wall，壁面设置为无滑移的固体壁面；近壁面采用标准的壁面函数法，设置求解基于压力的稳态求解器，并采用SIMPLE算法对流场进行数值求解；收敛残差定义为0.000 01。

3.3 流动性能分析

阀门内部的流动性直接影响其喷吹性能。分析阀门内部流场，阀门在全开状态下沿流动方向中心截面处流道速度分布云图如图7。与假设类似，气体在波纹管处流动处于滞止状态，气体从阀门入口至直角拐弯前，近似于直管道流动，流动均匀；气体流经阀芯拐弯流过阀座及阀座导向结构，流速突然增大；经阀座导向后流道变为直管段，流动又趋于均匀。

图7 阀门全流道速度云图Fig.7 Fow velocity nephogram of valve

阀门核心流道区域流速矢量图如图8所示。流体流经阀芯后发生转捩、分离，在图8圆圈标记部位产生漩涡，漩涡发生位置分别为阀芯右侧表面凹槽区域处、阀座导向支撑筋右侧区域、锁紧螺母右侧区域，漩涡区的存在加大了主流区的能量损失。在结构设计中应避免阀芯处凹槽结构，更改阀座导向结构，避免阀座导向支撑筋等结构设置在与流体运动方向垂直的位置，降低能量损失，提高阀门的喷吹性。

图8 阀芯处流速矢量Fig.8 Vlocity vector of valve spool

阀座导向支撑筋处横截面速度云图如图9所示，阀座导向套处横截面速度云图如图10所示，锁紧螺母处横截面速度云图如图11所示。气体流经阀芯后，在流动主区域中心均存在流体局部流速过大现象。分析原因为流道突然变窄导致流速突然增大，流速增大对阀座、阀芯、螺母作用的冲击力也增大，流阻增大，能量损失增大，阀门的喷吹性能降低。因此，在结构设计中，应避免流道突然变窄结构，优化阀芯、阀座导向结构，使流道过渡尽量圆滑，减少流体阻力，提高阀门的喷吹性能。

图9 阀座导向支撑筋处横截面速度图Fig.9 Velocity nephogram of valve seat guide support rib cross section

图10 导向套处横截面速度云图Fig.10 Velocity nephogram of guide sleeve cross section

图11 锁紧螺母处横截面速度云图Fig.11 Velocity nephogram of lock nut cross section

3.4 喷吹量计算结果

在Fluent中设置Report Fluxes，选择阀门进口截面和出口截面，经计算，阀门出、入口质量平衡，质量流量为0.43 kg/s。可得阀门实际喷吹量为631.27 Nm3。

现场工况下测得阀门实际喷吹量为598.61 Nm3，传统理论计算阀门工况喷吹量为690.02 Nm3，与工业实测值相差15.27%。数值仿真计算阀门工况喷吹量为631.27 Nm3，与工况实测值相差5.45%。

4 结论

本文提出了基于CFD数值仿真的喷射脉冲清洁角阀喷吹量计算方法。该方法首先建立喷射脉冲清洁角阀内部流道三维模型，然后划分网格加载模拟工况环境，利用CFD数值仿真分析阀门在工业特殊环境中的流动性能，最后计算得到阀门喷吹量。仿真结果表明，该方法能够模拟喷射脉冲清洁角阀在工业特殊环境下的流动性能，计算阀门喷吹量。实际运行结果表明，该方法相比传统理论计算方法精确度提高了9.8%，可以有效地分析阀门流道的流动情况，为阀门提高喷吹量的结构优化设计提供理论指导。