高炉煤气减压阀数值模拟.pdf

2 0 1 3年第 4 1 卷第 1期 流体机械 4 1 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 0 1 0 0 4 1 0 4 高炉煤气减压阀数值模拟 杨金梅 ， 幸福堂 武汉科技大学， 湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要 以某新型实用高炉煤气减压阀为研究对象， 建立了三维稳态湍流模型。通过 A N S Y S C F X对实用新型高炉煤 气减压阀的内部流场进行了数值分析， 得到了速度场与压力场的分布图， 为减压阀的结构优化提供了理论依据。 关键词 高炉煤气； 减压阀； 干法除尘； 数值模拟 中图分类号 T H 1 3 8 ； T K 0 3 7 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 3 ． O 1 ． 0 0 9 Num e r i c a l Si mul a t i o n o f Pr e s s u r e Re duc i ng Va l v e Us e d f or Bl a s t Fur na c e Ga s YAN G l i n me i ， XI N G F u t a n g Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 8 1 ， C h i n a Ab s t r a c t A n e w p r a c t i c a l b l a s t f u rna c e g a s v a l v e i s s t u d i e d，t h r e e d i me n s i o n a l s t e a d y s t a t e t u r b u l e n c e mo d e l i s e s t a b l i s h e d ． N u me r i c a l a n a l y s i s b y ANS YS CF X u t i l i t y mo d e l o f b l a s t f u r n a c e g a s v a l v e i n t e rna l fl o w fi e l d，v e l o c i t y fi e l d a n d p r e s s u r e fi e l d a r e c r e a t e d，p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r s t r u c t u r a l o p t i mi z a t i o n o f t h e v a l v e ． Ke y wo r d s b l a s t f u r n a c e g a s ； p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e； d r y d u s t i n g ； n u me r i c a l s i mu l a t i o n 1 高炉煤气减压阀结构 高炉煤气干法除尘是近几年国内外普遍采用 的一种高炉煤气净化工艺 ， 干法除尘 与湿法除尘 相 比， 具有节水 、 省电， T R T出力大等优点。但经过 干法除尘后的减压阀组产生的噪声将大于经过湿 法除尘后的噪声 ， 根据一些工程 的实测数据 ， 同级 别的高炉 ， 噪声将达 1 0～3 0 d B。同时 由于干法除 尘是干煤气 ， 给噪声的消除带来很大的难度叫 。 现高炉煤气无论采用干法除尘或湿法除尘工 艺 ， 在 T R T不工作时 ， 都通过 T R T的静 叶转为减 压阀组来 调节 和控 制炉顶压力 。由于此 系统安 全 、 可靠 ， 所以一直沿用至今 。但是 目前的减压阀 组还存在很多的缺点 ， 比如减压 阀组 的调节元件 为阀板 ， 其气流不均匀 ， 在将高压的气体降为低压 气体时， 所产生的噪声很大； 或者由于气流的扰动 大 ， 引起 的管道 的振动 大； 当采用半 静煤气放散 时 ， 减压阀组的磨损大 ， 其泄漏率增 大， 因而减少 了 T R T的发电量 。当前 ， 企业为了解决减压 阀组 收稿 日期 2 0 1 2 0 61 5 修稿 日期 2 0 1 2 0 8 0 4 的噪声 加隔声罩和消声器以及管道外 消声材料 包扎 和管道振动 ， 投入 的资金较大， 而降噪的效 果不佳 。 某种实用新型高炉煤气减压阀 目前用 于钢铁 冶金联合企业 中高炉煤气 的干法 湿法 除尘系 统 ， 其结构如 图 1所示 。 管 道 图 1 实用新 型减压阀的结构示意 从图可见 ， 新型减压阀结构主要包括阀体和 阀芯 ， 阀芯位于 阀体的空腔 内， 阀体的进 口端 、 出 口端分别设置有用于管道连接的法兰 ； 其特征在 于 阀体上靠近阀体的进 口端的部位为环形内凹 42 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 1， 2 01 3 部 ， 阀芯为双锥体 ； 阀芯的一端与第一连杆 的一端 固定连接 ， 第一连杆的另一端部与 曲柄机 构的曲 柄的一端部铰接 ， 曲柄机构 的旋转轴的一 端穿过 阀体上的旋转轴孔位于阀体外 ； 阀芯 的另一端 与 滑动轴的一端 固定连接， 滑动轴的另一端穿过轴 套 ， 轴套位于阀体的进 口端部内， 轴套 由支撑架与 阀体固定 连接 。当高炉煤气 超过一定压力 强度 时， 气流推动阀芯向出口方 向移动 ， 气体从减压 阀 进 口进入到阀体 内， 压力得到释放 ； 当压力减小时， 曲柄又推动阀芯向减压阀进 口方向移动直到减压 阀进口成为封闭状态 ， 以此来达到减压的目的。 此实用新型的减压阀用于 目前钢铁冶金联合 企业 中高炉煤气 的干法 湿法 除尘系统 中， 其主 要任务是在调节 在 T R T不工作时 高炉顶压 的 前提下 ， 达到降噪 、 减少管道振动 ， 使管 网运行更 安全的目的。 本文以此新型实用减压阀为研究对象 ， 建立 湍流数值模型， 研究减压阀内的速度与压力 分布 情况。 2 数值计算模型及方法 2 ． 1 几何模 型 的建 立 为了对减 压 阀 内的流场进 行分 析 ， 现采 用 A N S Y S C F X的绘 图软件进行建模 ， 建立了从减压 阀气体进 口到气体 出口的全流场 三维模型 ， 选取 比较恰 当地湍流模型 ， 同时设定 了相应 的边界条 件。在此基础 上， 运用 C F D软件对该高炉煤气减 压阀内的三维全流场进行定常的湍流流动数值计 算。为了更加方便且不影 响模拟结果 ， 在建立模 型时， 曲柄机构被忽略。阀体长为 0 ． 2 5 m， 最大直 径为 0 ． 1 2 5 m， 几何模型如图 2所示。其中减压阀 内的气体为焦炉煤气 ， 其成分与含量分别为 C H 0 ． 5 ％ ， C O 2 5 ％ ， C O 2 1 5 ％ ， H 2 2 ％ ， N 2 5 7 ％ ， O ， 0 ． 5 ％ ， 流体属性为连续流体。 图 2 高炉煤气减压阀几何模型 2 ． 2 计算机模型的网格划分 模型采用非结构化的四面体单元来分块划分 网格 ， 划分为两个 区域 ， 阀芯为实体域 ， 剩下的为 流体域。左侧的进 口截 面为计算 区域的进 口， 右 侧的出 口截面为计算区域的出 口。 2 ． 3 分析类型与计算域 此模拟采用稳态模型 ， 计算域类型为流体域 ， 参考压力为 1 a t m。 2 ． 4物 理模 型 传热模型为恒温模型， 温度设定为 1 3 5 C； 湍 流模型选为 S h e a r S t r e s s T r a n s p o r t ， 并用标准 的壁 面函数修正。 k e模 型不能 很准 确 的预 测湍流 的开 始 ， 而基于 S S T模 型的 kC O模 型却 可以很好 的解 决这些 问题 ， S S T模型特别适用 于要求高精度边 界层 的模拟 。基 于 S S T模 型 的 kC O方程 考虑 了湍流剪切 应力 的传输 ， 可 以精 确 的预测 流 动 的开始 和负 压 力 梯 度 条 件 下 流 体 的 分 离 量 。 S S T模型的最 大优点就 在 于考 虑 了湍流 剪切应 力 ， 从而不会对 涡 流黏 度造 成过 度 预测 J 。其 传输行 为可 由包 含 限 制数 的涡 流黏 度 方 程 求 得 盎而 】 且 ／2 ／ p 2 式 中F 一个混合 函数 ， 其功能 与 F。 相 同， 对于存在不合 适假设 的 自由剪切 流 ， 次数用来约束壁面层的限制数 5应变率的一个定估算值 混合函数 对模型 的成功 起着至关 重要 的作 用， 其公式与流体变量和壁面函数距离有关。 其值为 Flt a n h a r g 4 3 其 中ars m in [ m ax ， ， 4 p k 】 4 C D m a x f 2 p ， 1 ． 0 1 0 I 1 。 F2 t a nh a r g 22 a r s z ⋯x ， 式中y 到最近壁面的距离 运动粘度 5 6 7 2 0 1 3年第 4 l 卷第 1期 流体机械 8 7 用广泛 ， 但 与 空气源 热泵 或其 他形 式 的热 水 系 统相 比， 土壤源热泵热水 系统经济效 益显著 ， 节 能减排效果 明显 ， 引入合 同能源管 理模 式 对湖 南省及其周边地 区的高校 中应 用土壤源 热泵热 水 系统 的项 目具 有一 定 的示 范作用 ， 垂 直 式土 壤源热泵热水系统在全 国具 有很大 的推 广和应 用前景 。 参考文献 [ 1 ] B u r k h a r d S a n n e r ， C o n s t a n t i n e K a r y t a s ， D i m i t r i o s Me n d r i n o s ． Cu r r e n t S t a t u s o f G r o u n d S o u r c e He a t P u mp s a nd Un de r g r o un d The r ma l En e r g y S t o r a g e i n Eu r o pe [ J ] ．G e o t h e r m i c s ， 2 0 0 3 ， 3 2 4 6 5 7 9 5 8 8 ． [ 2 ] 胡建平． 土壤源热泵系统设计方法 [ J ] ． 暖通空调， 2 0 0 5， 3 5 2 8 2 8 5 ． [ 3 ] 凌晨， 刘刚， 郁庆庆． 某图书馆土壤源热泵系统冬季 运行测试分析[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 2， 4 0 2 7 2 - 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