转炉煤气干法除尘系统用杯形阀的流场模拟分析
高红亮
摘 要：本文介绍了利用solidworks、ansysworkbenc、Fluent等软件对转炉煤气干法除尘系统用杯形阀进行流场模拟分析，然后将分析结果导入公式计算得出杯阀的流量系数的方法，为杯形阀门的设计提供必要的理论依据。
关键词：杯形阀；流场分析；流量系数
一、前言
转炉煤气干法除尘系统是一种现代化的净化和回收转炉煤气的工艺方法，是目前国内转炉煤气净化回收的主流技术，与传统的煤气湿法除尘相比具有节水、节电等优势，节能效果明显、且无二次污染，回收煤气质量优于原湿法除尘系统。
杯形阀作为转炉煤气干法除尘系统中的重要设备，其作用是对煤气回收、放散两种状态的切换，实现煤气的净化回收和合理利用。通过对杯形阀门进行流场模拟分析，得出较为准确的流量系数，从而优化阀门的结构设计，以期达到预期的流态，使干法除尘系统煤气压力波动尽可能减小，对实际生产有很积极的作用。
二、杯形阀的结构特点
杯形阀由回收杯形阀、放散杯形阀两种，分别实现回收、放散功能；结构由伺服油缸、导流筒、阀体、下锥管、阀板、阀杆等部件组成。
三、杯形阀的流场模拟及结果分析
（一）理想状态下的流量系数曲线。杯形阀的流量曲线取决于导流筒的形状和阀门的开度，其中导流筒的形状是根据工况压力和阀门开度流量特性经三维模拟分析、设计的。理想状态下的流量系数曲线如下图：（图1）
曲线大致可分为三段：第一段为曲线，流通面积随行程增加而等比例增加，使阀门从关闭状态到开启50%左右时的流量保持等百分比流量调节特性；第二段为直线，流通面积随行程增加而线性增加，使阀门从50%开度左右到80%开度左右时的流量保持线性流量调节特性；第三段为曲线，流通面积的增加随行程增加而相应减小，使阀门从80%开度左右 到100%开度时的流量保持近似平缓增加的流量调节特性。
准确的阀门流量曲线往往需要通过实验方法测得。然而对于可压缩性气体而言，由于通过阀门后其压力、温度、容积等状态参数都将产生变化，所以相关的测试流量系数的技术和试验装置比较复杂，而且成本很高，费时费力。随着计算机技术的发展，计算流体动力学CFD方法得到广泛应用，通过计算机模拟流态分析法可方便准确的模拟并计算出阀门流通能力，得出阀门的流量系数。这样即可为我们设计杯阀时提供相应的理论依据，又能节省大量的时间及人力物力等成本
（二）流量系数的理论计算式。流量系数Kv的定义是：流体流经阀门产生单位压力损失（1bar）的体积流量，用每小时立方米表示。在美国流量系数用Cv表示，既流体流经阀门产生单位压力损失（1psi）的体积流量，用加仑/分表示。
流量系数Kv与Cv的换算公式：Kv=1.156Cv。
对于可压缩流体流量系数的计算公式为：
当Δp/P1<0.5FL2时
Kv=■■
当Δp/P1≥0.5FL2时
Kv==■■
式中 Kv——流量系数（m3/h） Qv——体积流量（m3/h）
ρ——流体密度（kg/ m3） P1——阀前压力（bar）
P2——阀后压力（bar） t——介质温度，℃
FL——压力恢复系数
y——■■
（三）建立杯阀模型并进行网格划分。利用Solidworks三维建模软件对杯阀进行三维流道建模。由于计算流体动力学分析属于大型数值问题求解，因此为了缩短求解时间，建模时应避免模型过于复杂，以免影响分析速度。因此只需画出阀体、阀板、导流板及管道的简单模型。然后，应用ANSYS workbench仿真计算平台中的ICEM模块进行网格划分。再将网格导入到CFD仿真模拟软件Fluent中进行分析。
（四）设置边界条件及运行结果。根据标准中对流量系数测定实验的规定，同时参考实际实验中提供的资料及工况数据，设定出适当的边界条件，边界条件的设置我们可以根据阀门流量系数的定义来选择，即阀前阀后压差为1bar。求阀门各个开度时的流量。例如：阀门全部打开时流态云图及流量系数如下。（图2为流态云图）
经分析，阀门全开时阀门入口平均
流量Qv为266 m3/s
空气密度ρ=1.293kg/ m3；
阀前压力P1=2.01325bar；
阀后压力P2=1.01325bar
介质温度t=20℃。
压力恢复系数FL=0.55，根据已知数据求得Δp/P1=0.475>0.5FL2=0.15
因此可根据公式求得流量系数Kv=32267，Cv=27912。
根据上述过程可以求得阀板在各个开启行程时的流量系数，绘制出阀门流量系数曲线图，如（图3）所示
（五）结果分析。通过计算机模拟仿真得到的结果与实际结果会存在一定的差异，主要有以下原因：（1） 实际生产后的阀门与仿真模型不一致（实际加工存在误差、建模简化过程中存在误差等）；（2） 边界条件和使用条件不一致（实际测量压差及流量值的取值点离阀门中心位置的距离不同，受现场操作空间限制）；（3） 实际测量时，流量及压力等实际值存在误差。
结语：在设计过程中利用流体动力学分析方法结合三维软件的应用，通过对杯阀的流态模拟分析，可以简单、快速地计算出阀门的流量系数，从而为杯阀结构的改进提供了理论依据，避免了建造实验设备所需的大量人力、物力和财力，为企业节约了大量的成本。
参考文献：
[1] 成大先.机械设计手册.北京： 化学工业出版社.2008.
[2] 陆培文.实用阀门设计手册.北京： 机械工业出版社.2007.
摘 要：本文介绍了利用solidworks、ansysworkbenc、Fluent等软件对转炉煤气干法除尘系统用杯形阀进行流场模拟分析，然后将分析结果导入公式计算得出杯阀的流量系数的方法，为杯形阀门的设计提供必要的理论依据。
关键词：杯形阀；流场分析；流量系数
一、前言
转炉煤气干法除尘系统是一种现代化的净化和回收转炉煤气的工艺方法，是目前国内转炉煤气净化回收的主流技术，与传统的煤气湿法除尘相比具有节水、节电等优势，节能效果明显、且无二次污染，回收煤气质量优于原湿法除尘系统。
杯形阀作为转炉煤气干法除尘系统中的重要设备，其作用是对煤气回收、放散两种状态的切换，实现煤气的净化回收和合理利用。通过对杯形阀门进行流场模拟分析，得出较为准确的流量系数，从而优化阀门的结构设计，以期达到预期的流态，使干法除尘系统煤气压力波动尽可能减小，对实际生产有很积极的作用。
二、杯形阀的结构特点
杯形阀由回收杯形阀、放散杯形阀两种，分别实现回收、放散功能；结构由伺服油缸、导流筒、阀体、下锥管、阀板、阀杆等部件组成。
三、杯形阀的流场模拟及结果分析
（一）理想状态下的流量系数曲线。杯形阀的流量曲线取决于导流筒的形状和阀门的开度，其中导流筒的形状是根据工况压力和阀门开度流量特性经三维模拟分析、设计的。理想状态下的流量系数曲线如下图：（图1）
曲线大致可分为三段：第一段为曲线，流通面积随行程增加而等比例增加，使阀门从关闭状态到开启50%左右时的流量保持等百分比流量调节特性；第二段为直线，流通面积随行程增加而线性增加，使阀门从50%开度左右到80%开度左右时的流量保持线性流量调节特性；第三段为曲线，流通面积的增加随行程增加而相应减小，使阀门从80%开度左右 到100%开度时的流量保持近似平缓增加的流量调节特性。
准确的阀门流量曲线往往需要通过实验方法测得。然而对于可压缩性气体而言，由于通过阀门后其压力、温度、容积等状态参数都将产生变化，所以相关的测试流量系数的技术和试验装置比较复杂，而且成本很高，费时费力。随着计算机技术的发展，计算流体动力学CFD方法得到广泛应用，通过计算机模拟流态分析法可方便准确的模拟并计算出阀门流通能力，得出阀门的流量系数。这样即可为我们设计杯阀时提供相应的理论依据，又能节省大量的时间及人力物力等成本
（二）流量系数的理论计算式。流量系数Kv的定义是：流体流经阀门产生单位压力损失（1bar）的体积流量，用每小时立方米表示。在美国流量系数用Cv表示，既流体流经阀门产生单位压力损失（1psi）的体积流量，用加仑/分表示。
流量系数Kv与Cv的换算公式：Kv=1.156Cv。
对于可压缩流体流量系数的计算公式为：
当Δp/P1<0.5FL2时
Kv=■■
当Δp/P1≥0.5FL2时
Kv==■■
式中 Kv——流量系数（m3/h） Qv——体积流量（m3/h）
ρ——流体密度（kg/ m3） P1——阀前压力（bar）
P2——阀后压力（bar） t——介质温度，℃
FL——压力恢复系数
y——■■
（三）建立杯阀模型并进行网格划分。利用Solidworks三维建模软件对杯阀进行三维流道建模。由于计算流体动力学分析属于大型数值问题求解，因此为了缩短求解时间，建模时应避免模型过于复杂，以免影响分析速度。因此只需画出阀体、阀板、导流板及管道的简单模型。然后，应用ANSYS workbench仿真计算平台中的ICEM模块进行网格划分。再将网格导入到CFD仿真模拟软件Fluent中进行分析。
（四）设置边界条件及运行结果。根据标准中对流量系数测定实验的规定，同时参考实际实验中提供的资料及工况数据，设定出适当的边界条件，边界条件的设置我们可以根据阀门流量系数的定义来选择，即阀前阀后压差为1bar。求阀门各个开度时的流量。例如：阀门全部打开时流态云图及流量系数如下。（图2为流态云图）
经分析，阀门全开时阀门入口平均
流量Qv为266 m3/s
空气密度ρ=1.293kg/ m3；
阀前压力P1=2.01325bar；
阀后压力P2=1.01325bar
介质温度t=20℃。
压力恢复系数FL=0.55，根据已知数据求得Δp/P1=0.475>0.5FL2=0.15
因此可根据公式求得流量系数Kv=32267，Cv=27912。
根据上述过程可以求得阀板在各个开启行程时的流量系数，绘制出阀门流量系数曲线图，如（图3）所示
（五）结果分析。通过计算机模拟仿真得到的结果与实际结果会存在一定的差异，主要有以下原因：（1） 实际生产后的阀门与仿真模型不一致（实际加工存在误差、建模简化过程中存在误差等）；（2） 边界条件和使用条件不一致（实际测量压差及流量值的取值点离阀门中心位置的距离不同，受现场操作空间限制）；（3） 实际测量时，流量及压力等实际值存在误差。
结语：在设计过程中利用流体动力学分析方法结合三维软件的应用，通过对杯阀的流态模拟分析，可以简单、快速地计算出阀门的流量系数，从而为杯阀结构的改进提供了理论依据，避免了建造实验设备所需的大量人力、物力和财力，为企业节约了大量的成本。
参考文献：
[1] 成大先.机械设计手册.北京： 化学工业出版社.2008.
[2] 陆培文.实用阀门设计手册.北京： 机械工业出版社.2007.
