随着社会的不断进步，人们对能源的需求也日益提升，因此也促进了煤化工行业的大力发展。其中，黑水阀作为原料加压输送、气化炉进料反应等工艺过程中的关键控制设备，起着调节介质压力和流量大小的作用，但由于其特殊的介质控制（煤渣水）使得阀门故障的发生成为常态化。经过长时间对阀门运行工况的研究，研发人员找到了能延长黑水阀使用寿命的方法，即：提高阀内件材料硬度（如，阀芯/阀座采用烧结WC材料等）。这一举措，大大改变了黑水阀在煤化工行业中易损的现状，也为企业节省了费用。但对于黑水阀的介质流通性能，目前主要通过流量实验方法进行测定，由于其结构设计有别于普通的单座角型阀，因此也不能将其他型号的阀门参数完全套用。
众所周知，流量系数是进行阀门选型与设计的重要指标，主要反映阀门的流通能力。但由于黑水阀规格较多，流量试验需耗费大量人力，并且长时间占用实验设备，故而，阀门设计人员多采用理论计算或预估的方法确定，这也在一定程度上影响了该项指标的准确性。依据常规经验，阀门的流通能力与其流阻成反比，而单座阀的阻力损失主要来自于阀座，其大小约占总阻力损失的85%以上。因此，进行黑水阀流通性能的确定关键在于研究其阀座的流通性能。
近年来，随着计算机辅助应用、程序软件的迅速发展，研发人员开始采用CFD仿真模拟的方法进行阀门理论研究。经验证明，该方法能较为准确的模拟阀门内部介质流动情况，并得到可视化结果，给新产品研发带来极大便利。因此，通过CFD模拟方法进行黑水阀阀座流通性研究，是一条的重要可行性途径。
1 阀门结构及设计原理
如图1所示，是由本公司自主研发的黑水阀结构示意图，该阀主要由：1.连接法兰；2.阀座；3.阀芯部件；4.阀体；5.上阀盖；6.填料部件等零部件组成。高压黑水介质从左端流入，连接法兰底部流出。执行机构控制阀芯上下动作，从而改变阀芯和阀座间隙，调节介质流量大小。其中，阀芯头可根据现场工艺需要设计成具有对数或线性流量特性的曲面，从而实现流量的精确调节。为提高阀门流通能力，采用文丘里加速原理将阀座流道加工成一定角度的锥面，并由连接法兰通过螺栓固定在阀体内台阶上，拆卸方便。另外，连接法兰的出口端直径可根据现场工艺管道布置确定，实现管道变径，其内部流道也设计成锥面，进一步提高介质的流通性。
图1 黑水阀结构示意图
2 阀门内部流场的数值模拟
2.1 阀门内部流场的数值模拟
黑水阀是一种典型的角型调节阀，阀门进出口存在位置落差，因此势能转化为动能，其大小值主要决定于阀门纵向法兰距尺寸。另外，介质在流动过程中，介质间内摩擦、介质与管道壁面摩擦、以及流体诱发振动等必将产生一定的能量损耗。因此，为了突出阀座的结构尺寸对整个阀门流通性的影响，在进行数值模拟时作以下假设：
（1）假定阀门内介质不受重力作用，即忽略位置势能损耗。
（2）忽略部分沿程能量损失，如振动等。
（3）阀体内介质选用水，忽略固体杂质对流场的影响。
采用Solidworks三维建模软件，进行调节阀内部流道三维建模，并按国家标准《GB/T17213.9-2005关于阀门流通能力测试》中相关规定确定测压间距。
为了保证计算精度，采用以结构性和非结构性网格相结合的划分方法生成网格。流道两端的直管段网格采用Hex（六面体）网格进行划分，中间阀体通道因为结构不规整，因此采用Tet/Hybrid（四面体/混合）网格进行划分，并且为了计算结果更加精确，对节流间隙位置的网格进行了加密处理。由于计算模型具有对称性，故取二分之一模型进行计算，以减少网格数目、节省计算时间。以连续性方程、三维雷诺平均N–S方程和基于各向同性涡粘性理论的k–ε双方程组成黑水阀内部流动数值模拟的控制方程组；采用有限体积法对控制方程组进行离散；流体压力-速度耦合基于SIMPLE算法；入口采用Velocity边界，出口采用Pressure边界；在湍流指定方法中，选择以设定湍流强度和水力直径；对流项差分格式采用二阶迎风，迭代收敛精度为质量源绝对值之和小于1.0×10-4。
本次模拟采用进口为DN50，出口为DN80的黑水阀模型，设置进口流速5m/s，出口压力为0.1Mpa，介质为常温水。
2.2 数值模拟结果与分析
通过数值模拟计算，计算结果如下：
（1）压力场
图2 渐扩角为9°时Z=0截面压力分布云图（Pa）
（2）速度场
图3 渐扩角为9°时Z=0截面速度分布云图（m/s）
由图2可以看出，介质在阀座与阀芯形成的环形间隙位置产生阀内最低压力，且该处流速达到最大（如图3所示）。因此，含有煤渣的高速介质流经时将在该位置发生最初的冲蚀。并且一旦该处的介质压力低于介质的饱和蒸汽压，则会发生闪蒸现象，将对零件造成更为严重的破坏。另外，从图中也可以看出，介质的压力和流速变化梯度在节流间隙较为突出，而随着介质向下流动，变化梯度逐渐趋于缓和。
（3）速度矢量分析
图4 渐扩角为9°时Z=0截面局部速度矢量图（m/s）
由图4可以看出，介质流经节流间隙后在阀座渐扩流道内迅速扩张，形成扩管效应（介质流向改变，流速逐渐降低）。另外，由于流道形状的作用，使得整个介质主流路呈现“Y”型流动，并且流动方向一致，未出现回流现象。
2.3 不同阀座渐扩角时阀门压力变化情况
分别建立阀座渐扩角为0°、3°、6°......27°时三维模型，经网格划分，数值模拟，得到计算结果。
如图5所示，是阀座渐扩角为27°时Z=0截面局部速度矢量图，从图上可以看出，介质在阀座主流路两侧形成了强烈回旋流，干扰流体的正常运动，“占用”主流路空间，并在边界位置产生撞击、分离脱流等现象，带来了附加阻力，从而增加了能量损失。
图5 渐扩角为27°时Z=0截面局部速度矢量图（m/s）
不同阀座渐扩角时，阀门进口和出口截面压力值分别如表1、表2所示：
表1 不同阀座渐扩角时阀门进口截面压力值表
单位：Pa
表2 不同阀座渐扩角时阀门出口截面压力值表
单位：Pa
分析表1和表2中数值模拟数据，得到以下结论：
（1）不同阀座渐扩角时，阀门进口动压、出口总压/静压/动压值基本保持不变。
（2）进口和出口的各项压力均满足关系式：总压=静压+动压，即符合伯努利方程：
式中：Z1、Z2为进口、出口位置水头；
为进口、出口压强水头（静压）；
为进口、出口流速水头（动压）；hL为沿程损失。（注：按照黑水阀流场模拟边界假定条件，忽略位置水头和沿程损失项。）
以上结论的得到，主要决定于边界条件的设定，即：速度进口和压力出口（静压）。由表1数据可知，随着渐扩角的增大，进口静压发生变化。当阀座渐扩角为0°时（即直管型阀座），阀门进口静压最大，为222623Pa；逐渐增大至9°时，静压降至最小，为197120Pa；当继续增加渐扩角时，静压又逐渐增大。这表明，随着阀座渐扩角的增大，文丘里效应逐渐凸显，流阻降低；当角度增加到一定值时，开始出现突扩管效应，流阻又逐渐增加。
2.4 不同阀座渐扩角时阀门Cv值曲线拟合
依据表1、表2中的数据，并按《GB/T4213-2008气动调节阀》中关于阀门流量系数的计算公式，计算出不同阀座渐扩角时阀门Cv值，结果如表3所示。
表3 不同阀座渐扩角时阀门Cv值表
进行不同阀座渐扩角时阀门Cv值曲线拟合，如图6所示：
图6 不同阀座渐扩角时阀门Cv值曲线
从图6可以看出，阀座渐扩角为0°时（即直管型阀座），阀门Cv值最小，为34.9；当渐扩角逐渐增大至9°时，Cv值达到最大值，为41.4；继续增加阀座渐扩角，Cv值则逐渐下降。并且，阀座渐扩角在0°-9°范围时，Cv值的增加梯度较为明显；而在9°-27°时，Cv值的减小梯度却相对缓慢。另外，根据流速计算公式：
（其中ξ为流阻系数，ρ为介质密度，v为介质流速；L、D阀门结构尺寸），若保证阀门压降为定值，当流阻减小时，其流速增量仅为开方的差值。
通过以上分析可知，当阀门流量确定时，阀门所需压降越小，说明其流通能力越好；而减小阀座流阻，则是提高阀门流通能力的有效办法。
3 结论
（1）使用CFD有限元分析软件进行黑水阀内部流场模拟，实现阀门的可视化研究，提高产品研发效率，为企业节省费用。
（2）根据流场分析结果，阀内最小压力与最大流速集中在阀座与阀芯节流间隙，该位置极易造成煤渣介质的冲刷与腐蚀。因此，可采用阀芯/阀座表面喷焊硬质合金层或整体烧结WC的方法来提高零件耐冲蚀性。
（3）当阀座为直通型流道（无渐扩角）时，阀门压损最大，流量系数最小；随着渐扩角的逐渐增大，压损先减后增，而流量系数则先增后减。根据数值模拟结果，推荐阀座渐扩角为8°-10°。