錢東良, 田輝芳

(山西省燃?xì)庖?guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山西太原030024)

1 概述

由于天然氣中含有泥砂，管道輸送介質(zhì)為氣-固兩相流，在運(yùn)行過程中，節(jié)流閥內(nèi)部長時(shí)間受到氣-固兩相流(特別是其中的砂粒)的沖擊，易發(fā)生沖蝕和刺漏等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。在節(jié)流孔處，由于流通面積減小，其壓力、速度以及粒子的流動(dòng)軌跡都發(fā)生改變，故此處常常是發(fā)生沖蝕較嚴(yán)重的部位[1]。以楔形節(jié)流閥閥芯為例，楔形節(jié)流閥閥芯失效現(xiàn)場實(shí)物見圖1[2]，閥芯迎流面受到的沖蝕破壞較為嚴(yán)重，直接導(dǎo)致其節(jié)流功能失效。

圖1 楔形節(jié)流閥閥芯失效現(xiàn)場實(shí)物

目前，關(guān)于節(jié)流閥的研究已取得一定的進(jìn)展，文獻(xiàn)[2-4]中對節(jié)流閥進(jìn)行了流場分析，得出其內(nèi)部流場的分布規(guī)律，但是，針對不同類型的節(jié)流閥內(nèi)部易產(chǎn)生沖蝕的具體位置及防護(hù)措施并未全部給出。因此，有必要在已有研究的基礎(chǔ)上做更進(jìn)一步的仿真模擬。

本文采用Pro/E 5.0軟件建立錐形節(jié)流閥和楔形節(jié)流閥的幾何模型，利用ANSYS Fluent 14.5軟件建立仿真模型，模擬得到節(jié)流閥內(nèi)產(chǎn)生沖蝕的具體位置，并在此基礎(chǔ)上，針對閥芯進(jìn)行一定程度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過仿真模擬驗(yàn)證其有效性，從而實(shí)現(xiàn)減緩沖蝕的目的。

2 幾何模型的描述

節(jié)流閥主要由閥體、閥芯、彈簧和調(diào)節(jié)手輪等部件組成，通常情況下豎直安裝，通過閥芯的豎直移動(dòng)來改變節(jié)流孔的流通面積，從而達(dá)到節(jié)流效果。以規(guī)格為DN 50 mm錐形節(jié)流閥為例，其簡化三維模型見圖2，結(jié)構(gòu)尺寸見圖3，圖3中標(biāo)注的尺寸均為內(nèi)壁尺寸，相應(yīng)的單位為mm，圖3中設(shè)定的開度是某一工況下的開度，本文以此開度為例進(jìn)行模擬。

圖2 DN 50 mm錐形節(jié)流閥的簡化三維模型

圖3 DN 50 mm錐形節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)尺寸

圖2中,三維坐標(biāo)系的建立以出口端面的圓心為原點(diǎn)O，x軸和y軸均在出口端面所在的水平面上，與進(jìn)口管段中軸線相垂直的是x軸，與進(jìn)口管段中軸線相平行的是y軸，閥芯中軸線為z軸。為了方便了解簡化模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及節(jié)省模擬計(jì)算的時(shí)間，以yOz平面為中心面進(jìn)行對稱剖分，取其一半進(jìn)行分析。在三維模型中，彈簧和調(diào)節(jié)手輪等部件簡化為圖2中與閥芯相連且凸出閥腔的圓柱部分。節(jié)流閥垂直安裝，即重力加速度g的方向?yàn)?z方向，流體流入方向?yàn)?y方向，流體流出方向?yàn)?z方向。進(jìn)口端面、進(jìn)口管段內(nèi)壁、閥腔內(nèi)壁、閥芯外壁、出口管段內(nèi)壁、出口端面及yOz平面共同組成的空間區(qū)域即為計(jì)算域，利用ANSYS Fluent 14.5進(jìn)行建模分析時(shí)，只需研究該計(jì)算域即可。

本文以應(yīng)用比較廣泛的錐形節(jié)流閥和楔形節(jié)流閥為基礎(chǔ)研究對象，并在其現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對閥芯進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，其中，將錐形節(jié)流閥閥芯的頂端(尖端)改為圓臺(tái)狀，將楔形節(jié)流閥閥芯改為圓臺(tái)狀閥芯或三段式閥芯，得到3種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式，分別為圓臺(tái)狀閥芯錐形節(jié)流閥、圓臺(tái)狀閥芯楔形節(jié)流閥和三段式閥芯楔形節(jié)流閥。利用Pro/E 5.0建立不同類型節(jié)流閥的三維幾何模型，錐形節(jié)流閥和圓臺(tái)狀閥芯錐形節(jié)流閥的幾何模型見圖4，楔形節(jié)流閥、圓臺(tái)狀閥芯楔形節(jié)流閥、三段式閥芯楔形節(jié)流閥的幾何模型見圖5。

圖4 錐形節(jié)流閥和圓臺(tái)狀閥芯錐形節(jié)流閥的幾何模型

圖5 楔形節(jié)流閥、圓臺(tái)狀閥芯楔形節(jié)流閥、三段式閥芯楔形節(jié)流閥的幾何模型

3 網(wǎng)格劃分

將建立的幾何模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中的Geometry里，應(yīng)用Fill功能填充計(jì)算域，完成后將其導(dǎo)入Mesh中劃分網(wǎng)格。以進(jìn)口處的網(wǎng)格劃分為例，進(jìn)口處網(wǎng)格劃分見圖6。

整個(gè)模擬區(qū)域可分為湍流核心區(qū)和邊界層區(qū)。在網(wǎng)格劃分的過程中，湍流核心區(qū)采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格，以四面體網(wǎng)格為主。邊界層區(qū)添加邊界層網(wǎng)格，對近壁面處的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，在計(jì)算過程中，使用壁面函數(shù)法來處理該區(qū)域，壁面函數(shù)法的具體分析詳見4.5.1條，其目的在于將壁面上的物理量和湍流核心區(qū)相應(yīng)的物理量聯(lián)系起來。邊界層網(wǎng)格的劃分方式采用First Layer Thickness，邊界層網(wǎng)格劃分需要設(shè)置的參數(shù)為：第1層網(wǎng)格高度(First Layer Height)為1.0 mm，邊界層數(shù)(Maximum Layers)為5層，網(wǎng)格漸變率(Growth Rate)為1.05，這樣能夠保證無量綱距離y+處于(30，60)范圍。

4 數(shù)學(xué)模型

4.1 數(shù)學(xué)模型概述

本文研究的對象是氣-固兩相流，其中，天然氣作為連續(xù)相，砂粒作為離散相。為了簡化模擬計(jì)算，本文假定天然氣介質(zhì)為不可壓縮流體且流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)的，天然氣的密度不隨空間位置和時(shí)間變化，流場處于完全發(fā)展的湍流狀態(tài)，忽略流體分子之間黏性的影響，在該假定情況下能夠滿足工程仿真模擬精度的要求。

采用ANSYS Fluent 14.5軟件進(jìn)行沖蝕仿真模擬需要建立合適的數(shù)學(xué)模型，它主要包括：內(nèi)部流場計(jì)算、顆粒軌跡計(jì)算和沖蝕速率計(jì)算。連續(xù)相采用RNGk-ε湍流模型，離散相采用離散相模型，通過交替求解連續(xù)相控制方程和離散相運(yùn)動(dòng)方程來實(shí)現(xiàn)連續(xù)相與離散相的雙向耦合；沖蝕速率模型采用ANSYS Fluent 14.5中定義的沖蝕速率公式；近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)法進(jìn)行處理；采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散化處理；采用SIMPLE算法求解速度場與壓力場的耦合。

4.2 湍流模型

節(jié)流閥連續(xù)相計(jì)算必須選用合理的湍流控制方程。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論，RNGk-ε湍流模型對具有分離和二次流的湍流流動(dòng)具有較好的模擬性[5]，既適應(yīng)于高雷諾數(shù)的湍流流動(dòng)，也適應(yīng)于低雷諾數(shù)的湍流流動(dòng)，其模型常數(shù)是利用重整化群(RNG)方法精確推導(dǎo)出來的[6]。RNGk-ε湍流模型是半經(jīng)驗(yàn)公式。

k方程見式(1)[5]：

Eg+Eb-ρε-EM+Sk

(1)

式中ρ——天然氣(不含砂粒)密度，kg/m3

k——湍流動(dòng)能，J

t——時(shí)間，s

i——取值為1、2、3，分別對應(yīng)x軸、y軸、z軸

ui——速度分量，分別對應(yīng)x軸、y軸、z軸上的速度分量ux、uy、uz，m/s

xi——對ui求偏導(dǎo)時(shí)對應(yīng)的x軸、y軸、z軸的坐標(biāo)，m

Prk——k方程的湍流普朗特?cái)?shù)

μeff——有效動(dòng)力黏度，Pa·s

j——取值為1、2、3，分別對應(yīng)x軸、y軸、z軸

xj——對k求偏導(dǎo)時(shí)對應(yīng)的x軸、y軸、z軸的坐標(biāo)，m

Eg——層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J

Eb——浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J

ε——湍流耗散率，J/s

EM——湍流流動(dòng)中波動(dòng)對整個(gè)能量耗散的貢獻(xiàn)，J

Sk——k方程中與實(shí)際問題有關(guān)的修正項(xiàng)，由用戶自定義，無因次

需要注意的是：ui、xi、xj均為笛卡爾張量記法，均表示1組分量，1個(gè)含有3個(gè)與坐標(biāo)相關(guān)的獨(dú)立變量集合用1個(gè)下標(biāo)表示，例如，對于坐標(biāo)x、y、z可表示為xi(i=1，2，3)，即x1表示x軸坐標(biāo)，x2表示y軸坐標(biāo)，x3表示z軸坐標(biāo)；對于x軸、y軸、z軸上的速度分量ux、uy、uz可表示為ui(i=1，2，3)，即u1表示ux，u2表示uy，u3表示uz。以上表示方法為流動(dòng)方程表達(dá)式中慣用的張量記法。在式(1)中關(guān)于xi、xj的偏導(dǎo)數(shù)表示下標(biāo)i和j分別為1、2、3時(shí)的各項(xiàng)之和，即式(2)和式(3)。

(2)

(3)

ε方程見式(4)[5]：

(4)

式中Prε——ε方程的湍流普朗特?cái)?shù)

C1ε、C2ε、C3ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，無因次

Rε——ε的函數(shù)

Sε——ε方程中與實(shí)際問題有關(guān)的修正項(xiàng)，由用戶自定義，無因次

4.3 離散相模型

離散相模型將天然氣作為連續(xù)相、砂粒作為離散相進(jìn)行處理，離散相與連續(xù)相間通過實(shí)時(shí)進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換實(shí)現(xiàn)雙向耦合求解。離散相模型在應(yīng)用中忽略砂粒之間的相互作用以及砂粒的體積對連續(xù)相的影響，應(yīng)用離散相模型的前提是離散相的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)小于10%。文獻(xiàn)[7]針對砂粒運(yùn)動(dòng)方程、砂粒受力分析、離散相邊界條件的設(shè)置以及離散相與連續(xù)相的耦合等方面進(jìn)行了詳盡的分析。

4.4 沖蝕速率模型

節(jié)流閥內(nèi)壁面的沖蝕失效程度可以通過計(jì)算全部砂粒在天然氣攜帶下沖擊節(jié)流閥內(nèi)壁而產(chǎn)生的沖蝕速率來表示，沖蝕速率模型采用ANSYS Fluent 14.5中定義的沖蝕速率公式，該沖蝕速率模型在文獻(xiàn)[5]中已經(jīng)做了詳盡的分析。

4.5 其他相關(guān)數(shù)值計(jì)算方法

4.5.1 壁面函數(shù)法

針對近壁面區(qū)域有2種處理方式：① 采用低雷諾數(shù)k-ε模型來直接求解黏性影響比較明顯的黏性底層和過渡層區(qū)域；② 不直接求解該區(qū)域，而是應(yīng)用壁面函數(shù)法，即用一組半經(jīng)驗(yàn)公式將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)內(nèi)的相應(yīng)物理量聯(lián)系起來。采用低雷諾數(shù)k-ε模型時(shí)，因黏性底層和過渡層內(nèi)的物理量變化大，需要?jiǎng)澐州^為細(xì)密的網(wǎng)格才能滿足計(jì)算要求，計(jì)算成本較高。與前者相比，壁面函數(shù)法能夠處理各種不同壁面流動(dòng)問題，且具有計(jì)算效率高和工程實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。因此，在本文的研究中，對近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)法[7]27-29。

4.5.2 控制方程的離散方法

對控制方程采取不同的離散方式將會(huì)產(chǎn)生不同的數(shù)值求解方法，根據(jù)離散原理的不同主要分為有限差分法、有限元法和有限體積法。有限差分法對復(fù)雜幾何體適應(yīng)性較差，近年來已經(jīng)逐漸被有限元法和有限體積法代替。有限元法相對有限差分法，能夠處理復(fù)雜的幾何邊界條件，在固體力學(xué)的仿真計(jì)算中使用較多，但在流體力學(xué)計(jì)算中應(yīng)用極少。有限體積法不僅具有有限差分法良好的守恒性，而且能夠和有限元法一樣，處理復(fù)雜的邊界條件，在流體力學(xué)的仿真計(jì)算中有著良好的適用性[7]29。ANSYS Fluent 14.5就是使用有限體積法來離散Navier-Stokes方程的。

4.5.3 SIMPLE算法

ANSYS Fluent 14.5中包括3種壓力-速度耦合算法：SIMPLE算法、SIMPLEC算法和PISO算法。前2種主要應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)問題計(jì)算，PISO算法在用于計(jì)算瞬態(tài)問題時(shí)具有一定的優(yōu)勢。在工程實(shí)際中，SIMPLE算法一般用于不可壓縮流體的仿真計(jì)算，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)是一種求解流體力學(xué)中流動(dòng)問題的十分成功的算法之一。SIMPLEC算法在本質(zhì)上與SIMPLE算法相同，理論上相當(dāng)于采用不同的松弛因子的效果，故只要在SIMPLE算法中采用合適的松弛因子，即可達(dá)到與其他算法相同的收斂速度。因此，本文在數(shù)值模擬過程中選用SIMPLE算法來求解速度場與壓力場的耦合[7]30-31。

5 各項(xiàng)設(shè)置

① 模型設(shè)置

應(yīng)用ANSYS Fluent 14.5中的離散相模型，開啟Erosion/Accretion物理模型。計(jì)算過程中，對控制方程組的離散采用有限體積法，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，湍流模型采用RNGk-ε雙方程，利用拉格朗日法對通過流場的顆粒進(jìn)行逐個(gè)追蹤。

② 邊界條件設(shè)置

進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口(velocity-inlet)，出口設(shè)置為自由出流(outflow)，即在出口處的流動(dòng)為充分發(fā)展的，各個(gè)變量(壓力除外)沿流動(dòng)方向的梯度為0，離散相均設(shè)置為逃逸(escape)，壁面設(shè)置為無滑移壁面。

③ 其他設(shè)置

節(jié)流閥的規(guī)格為DN 50 mm。

進(jìn)口處流體的速度為5 m/s，壓力為1.1 MPa，常溫輸送。整個(gè)模型重力場加速度為9.8 m/s2。

節(jié)流閥的材料采用碳素鋼，碳素鋼密度為7 850 kg/m3，碳素鋼法向反彈系數(shù)en的各項(xiàng)取值[7]24為0.993、-0.031、4.75×10-4、-2.61×10-6，碳素鋼切向反彈系數(shù)et的各項(xiàng)取值[7]24為0.998、-0.029、6.43×10-4、-3.56×10-6。

砂粒質(zhì)量流量為0.000 5 kg/s，砂粒密度為1 500 kg/m3，砂粒直徑為150 μm，砂粒形狀系數(shù)為0.53，砂粒直徑函數(shù)的取值[7]27為1.8×10-9，速度分量函數(shù)的取值[7]27為2.6，沖擊角度函數(shù)的取值[7]27見表1。

表1 沖擊角度函數(shù)的取值

本文假定天然氣介質(zhì)為不可壓縮流體且流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)的，天然氣的主要組分是甲烷，因此，模擬時(shí)連續(xù)相選擇甲烷，與甲烷有關(guān)的ρ、μeff等參數(shù)取系統(tǒng)默認(rèn)值；Prk、Sk、Prε、C1ε、C2ε、C3ε、Rε、Sε等其他相關(guān)參數(shù)取系統(tǒng)默認(rèn)值。

6 求解

求解控制參數(shù)：ANSYS Fluent 14.5基于有限體積法對控制方程進(jìn)行離散和求解，在Solution Methods中，壓力速度耦合選擇SIMPLE。Gradient選擇Least Squares Cell Based，Pressure選擇Second Order，Momentum、Energy、Diffusive Phase均選擇Second Order Upwind。

亞松弛因子：在Solution Controls 中，Pressure、density、Body Force分別取0.3、1、1，Momentum、Energy分別取0.7、1。

殘差設(shè)定：Energy為10-5，其他均為0.001。

初始化：初始化方法選擇Standard Initialization，選擇Initialize從進(jìn)口端面開始計(jì)算，經(jīng)過迭代計(jì)算，得到結(jié)果。

7 模擬結(jié)果分析

7.1 錐形節(jié)流閥模擬結(jié)果分析

錐形節(jié)流閥沖蝕速率云圖見圖7，圖7中的色標(biāo)右面的標(biāo)值為沖蝕速率的數(shù)值，相應(yīng)的單位為mg/(cm2·a)。

圖7 錐形節(jié)流閥沖蝕速率云圖(軟件截圖)

由圖7分析可知，錐形節(jié)流閥內(nèi)部產(chǎn)生沖蝕的具體位置分為3個(gè)部分：①閥芯迎流壁面處，呈半橢圓狀區(qū)域，沖蝕速率相對較大；②閥芯與節(jié)流孔交接處，呈圓環(huán)狀區(qū)域，其中，在背對閥芯迎流壁面的一側(cè)靠近yOz平面的節(jié)流孔位置附近沖蝕速率最大；③出口管段內(nèi)壁面處，呈長條狀區(qū)域，沖蝕速率相對較小，沖蝕區(qū)域面積較大。

綜合分析以上3個(gè)沖蝕位置，本文將出口管段作為沖蝕控制的主要區(qū)域，其主要原因包括以下3個(gè)方面：①出口管段的沖蝕面積較大，更需要加以控制；②通過采取改進(jìn)閥芯結(jié)構(gòu)的方式，容易實(shí)現(xiàn)對出口管段的沖蝕控制；③雖然閥芯迎流壁面處和閥芯與節(jié)流孔交接處的沖蝕速率均比出口管段內(nèi)壁面處大，但是這兩處的沖蝕不可避免，故本文不做研究。

錐形節(jié)流閥粒子跡線圖見圖8，圖8中的色標(biāo)右面的標(biāo)值為砂粒編號(hào)的數(shù)值，以圖8中編號(hào)為第5 900號(hào)的砂粒的跡線為例，其顏色為紅色，由進(jìn)口至出口構(gòu)成其完整的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖8 錐形節(jié)流閥粒子跡線圖(軟件截圖)

將圖8中砂粒跡線與壁面相交的位置與圖7中的沖蝕位置相對比，兩者的位置基本一致，因此，砂粒跡線與壁面相交的拐點(diǎn)即為沖蝕點(diǎn)，由此可以判定沖蝕產(chǎn)生的原因主要是氣體攜帶的砂粒不斷沖擊和切削壁面所致。

由圖8分析可知，砂粒與閥芯迎流壁面碰撞反彈后，在背對閥芯迎流壁面處產(chǎn)生一定的積聚，積聚后的大量砂粒經(jīng)節(jié)流孔處yOz平面兩側(cè)位置進(jìn)入出口管段，在背對閥芯迎流壁面的一面靠近yOz平面的節(jié)流孔位置附近，砂粒與閥芯壁面接觸的相對速度和頻率比其他位置都大，因此，在該位置產(chǎn)生的沖蝕速率最大。

以下圖9～16，類似的云圖中關(guān)于色標(biāo)標(biāo)值的含義和單位分別與圖7和圖8一致。

7.2 圓臺(tái)狀閥芯錐形節(jié)流閥模擬結(jié)果分析

圓臺(tái)狀閥芯錐形節(jié)流閥沖蝕速率云圖見圖9，粒子跡線圖見圖10。

圖9 圓臺(tái)狀閥芯錐形節(jié)流閥沖蝕速率云圖(軟件截圖)

圖10 圓臺(tái)狀閥芯錐形節(jié)流閥粒子跡線圖(軟件截圖)

由圖9分析可知，閥芯迎流壁面處和閥芯與節(jié)流孔交接處產(chǎn)生沖蝕，出口管段基本無沖蝕破壞。與圖7相比，出口管段的沖蝕得到明顯改善。

由圖10分析可知，經(jīng)節(jié)流孔后砂粒的軌跡受到閥芯結(jié)構(gòu)改變的作用順勢向下，只有少數(shù)的砂粒碰撞到壁面，避免了出口管段內(nèi)壁面受到較大沖擊。

圖9、10證明了改進(jìn)后的閥芯結(jié)構(gòu)既能夠滿足節(jié)流效果，又能夠針對出口管段起到一定減緩沖蝕的作用。

7.3 楔形節(jié)流閥模擬結(jié)果分析

楔形節(jié)流閥沖蝕速率云圖見圖11，粒子跡線圖見圖12。

圖11 楔形節(jié)流閥沖蝕速率云圖(軟件截圖)

圖12 楔形節(jié)流閥粒子跡線圖(軟件截圖)

由圖11、12分析可知，楔形節(jié)流閥內(nèi)部產(chǎn)生沖蝕的具體位置為閥芯迎流壁面處和出口管段內(nèi)壁面處；最大沖蝕速率發(fā)生在閥芯迎流壁面處，是由砂粒與閥芯迎流壁面相碰撞產(chǎn)生較大的沖擊和切削作用所致；砂粒在與閥芯壁面碰撞反彈后直接進(jìn)入出口管段，在節(jié)流孔處無沖蝕破壞，在出口管段內(nèi)壁面處產(chǎn)生的沖蝕區(qū)域較大。

7.4 圓臺(tái)狀閥芯楔形節(jié)流閥模擬結(jié)果分析

圓臺(tái)狀閥芯楔形節(jié)流閥沖蝕速率云圖見圖13，粒子跡線圖見圖14。

圖13 圓臺(tái)狀閥芯楔形節(jié)流閥沖蝕速率云圖(軟件截圖)

圖14 圓臺(tái)狀閥芯楔形節(jié)流閥粒子跡線圖(軟件截圖)

由圖13分析可知，產(chǎn)生沖蝕的主要區(qū)域?yàn)殚y芯迎流壁面處，該處的沖蝕速率最大，與圖11的沖蝕情況基本一致，證明了閥芯迎流壁面處受到的沖蝕是不可避免的。

由圖14分析可知，該閥芯結(jié)構(gòu)能夠?yàn)闅饬骷吧傲Ｌ峁┮欢ǖ膶?dǎo)向作用，經(jīng)過節(jié)流孔后砂粒的軌跡發(fā)生了部分改變，對出口管段內(nèi)壁面的沖擊變小。

與圖11相比，出口管段的沖蝕區(qū)域和沖蝕速率都明顯變小，節(jié)流閥出口管段的沖蝕得到了一定的控制。

7.5 三段式閥芯楔形節(jié)流閥模擬結(jié)果分析

三段式閥芯楔形節(jié)流閥沖蝕速率云圖見圖15，粒子跡線圖見圖16。

圖15 三段式閥芯楔形節(jié)流閥沖蝕速率云圖(軟件截圖)

圖16 三段式閥芯楔形節(jié)流閥粒子跡線圖(軟件截圖)

為了方便模擬結(jié)果的分析，現(xiàn)將三段式閥芯楔形節(jié)流閥的閥芯結(jié)構(gòu)分為上、中、下三段，其中，閥芯上部圓柱段為閥芯上段，閥芯中部與閥芯中軸線斜交段為閥芯中段，閥芯下部與閥芯中軸線平行段為閥芯下段。由圖15、16分析可知，沖蝕速率最大的位置為閥芯下段，主要是由于閥芯下段改變了砂粒的軌跡，此處壁面受到的沖擊和切削作用最大，故沖蝕速率也最大；與此同時(shí)，閥芯下段對節(jié)流效果影響較小，故實(shí)現(xiàn)了沖蝕破壞向?qū)?jié)流效果影響較小區(qū)域位置的轉(zhuǎn)移；由于三段式閥芯結(jié)構(gòu)避免了大量砂粒直接沖擊出口管段內(nèi)壁面，使得出口管段內(nèi)壁面的沖蝕速率減小，起到了減緩沖蝕的作用。

另外，三段式閥芯楔形節(jié)流閥還能夠彌補(bǔ)楔形節(jié)流閥不易改變砂粒流向以及圓臺(tái)狀閥芯楔形節(jié)流閥節(jié)流效果差的缺陷。

8 沖蝕的預(yù)防和減緩措施

為了預(yù)防和減緩沖蝕破壞的發(fā)生，在設(shè)備構(gòu)件本身因素方面，除本文中提出的改進(jìn)閥芯結(jié)構(gòu)的方法外，還可以在閥芯迎流壁面處采用耐沖蝕的材料、涂層保護(hù)以及加裝硬質(zhì)合金套等措施，以提高閥芯的強(qiáng)度和耐磨度來減緩沖蝕。

對于節(jié)流閥出口管段內(nèi)壁面的沖蝕破壞，可以通過結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)來控制。目前最常用的方法是安裝防沖刺短節(jié)[8]，用防沖刺短節(jié)替代出口管段，在防沖刺短節(jié)入口段加裝硬質(zhì)合金套，加大防沖刺短節(jié)的中段腔室，在防沖刺短節(jié)出口處加裝硬質(zhì)合金套球頭[9]。

在流動(dòng)介質(zhì)因素方面，可以采取適當(dāng)措施減少砂粒的含量。

在人為因素方面，關(guān)停和再啟動(dòng)時(shí)應(yīng)注意保持平穩(wěn)性，不斷更新升級(jí)檢測設(shè)備，加大檢測頻率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)更換，加強(qiáng)預(yù)防。

9 結(jié)論

① 在氣-固兩相流條件下，節(jié)流閥內(nèi)部的沖蝕破壞不可避免。

② 節(jié)流閥內(nèi)部產(chǎn)生沖蝕破壞的位置為閥芯的迎流壁面處、閥芯與節(jié)流孔交接處以及出口管段內(nèi)壁面處，軟件模擬結(jié)果與現(xiàn)場沖蝕失效情況一致。

③ 3種改進(jìn)后的閥芯結(jié)構(gòu)在一定程度上均改變了砂粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，減小了對出口管段內(nèi)壁面的沖蝕，對節(jié)流閥沖蝕控制的主要區(qū)域起到一定的保護(hù)作用。

④ 除采取改進(jìn)閥芯結(jié)構(gòu)的方法外，還可以通過采用耐沖蝕材料、涂層保護(hù)、加裝硬質(zhì)合金套、加裝防沖刺短節(jié)等措施減緩節(jié)流閥內(nèi)部的沖蝕破壞。