风量调节阀是用来平衡通风除尘系统的阻力及调节风量的，广泛应用于冶金、建材、化工、电力等行业。但目前在除尘系统中使用的插板阀及蝶阀均存在耐磨性能差、阀出口处流场不均匀等缺点，特别是当除尘管道中粉尘浓度高，且粉尘具有很强的磨损性时，若安装插板阀或蝶阀，不仅会造成阀体本身的磨损，而且会导致阀后的直管、弯管或三通等管件的磨损。一般风量调节阀易被磨损的主要原因是因为阀体结构设计不合理，从而导致含尘气流通过风量调节阀时流场急剧变化，产生偏流，粉尘在离心力和惯性力的作用下，几乎全部与阀体发生切削碰撞，由磨损机理及其影响因素可知^[1，2]，这必然会引起粉尘对风量调节阀及管件的磨损加剧，造成较大的经济损失。

    本研究根据多孔射流扩散及射流叠加原理，提出一种耐磨风量调节阀结构，并对其流场进行数值模拟，同时与插板阀的流场进行比较，以便为耐磨风量调节阀的结构设计提供依据。

    1 耐磨风量调节阀的结构及原理

    耐磨风量调节阀的结构如图1所示。它由阀体、活动多孔板、带导流板的固定多孔板、调节螺杆、固定螺母、开度指示器及调节手柄等组成^[3]。活动多孔板与固定多孔板的开孔情况可完全一样，开孔形式为条形，条形孔的宽度一般为20mm，孔桥的宽度与条形孔的宽度可相等。

    阀的初始状态为全开，即活动多孔板与固定多孔板的孔完全重合，开度，转动调节手柄即可带动活动多孔板向右移动，阀的开度逐渐减小，阀的开度由开度指示器显示。

    该阀利用小孔（条形孔）射流扩散及叠加原理，使气流在较短的距离内均匀混合。气流通过活动多孔板及固定多孔板后，在有限空间内，平行射流相互叠加、掺混。由图2可见，当相互叠加的两股平行射流距离较近时，射流的发展将互相影响.在汇合之前，每股射流独立发展，汇合之后，射流边界相交，互相干扰重叠，逐渐形成一股总射流，总射流充分发展后，即可在较短的距离内均匀混合，从而使速度沿阀体断面均匀分布^[4]。

    另外，由于采用多孔结构，粉尘浓度沿断面分布比较均匀，同插板阀及蝶阀相比，与阀体发生切削碰撞的粒子数目大大降低，且粉尘与阀体的碰撞角度避开了易磨损的范围（粉尘的入射角对磨损具有较大的影响，当入射角在20°~30°时，磨损性^[3]），从而减轻了粉尘对阀体的磨损。

    2 数学物理模型及数值计算方法

    2.1 物理模型

    耐磨风量调节阀的结构如图3（a）所示，阀内径D₀=200mm，阀体高度H=300mm，条形孔及孔桥的宽度均为20mm，活动多孔板与带导流板的固定多孔板相互错开10mm，此时阀的开度为50%，导流板的长度为60mm，阀出口处加长管长度为300mm。另外为了进行流场的比较，这里提出一种常见的插板阀结构如图3（b）所示，其开度与耐磨风量调节阀相同。

    2.2 数学模型及计算方法

    RNG k-ε模型是一个双方程的湍流模型，它是从原始的基本方程推导而来的，模型的系数以理论结果为依据，不需要借助任何实验结果^[5]。文献[6，7]应用此模型模拟湍流流动，结果表明：RNG k-ε模型优于标准的是k-ε模型。因此本研究从工程实用性角度和模拟湍流的适用性出发，利用RNG k-ε模型来模拟阀内的湍流流场。

    模拟计算采用的软件是由FORTRAN90开发的，网格划分采用数学级数法，并在条形孔处进行局部加密，压力场和速度场的耦合采用SIM-PLE算法求解。

    2.2.1 基本方程及封闭模型

    三维气相湍流流动守恒方程组包括连续性方程、动量方程和RNG k-ε方程，可以表达成通用形式

    div（ρvΦ）-div（ΓgradΦ）=S_Φ （1）

    式中：Φ在连续性方程中取1，在动量方程中表示u，v和w三个方向的速度，在RNG k-ε湍流模型中表示湍动能k和耗散率ε；S_Φ表示源项。

    2.2.2 边界条件

    入口边界为w=17m/s，壁面边界为无滑移边界条件，出口为充分发展条件。

    3 数值模拟结果分析

    模拟结果如图4及图5所示，从图4（a）的速度矢量图可以看出，当耐磨风量调节阀开度为50%时，固定多孔板的出口处流场变化较大，但是经过导流板后，在导流板出口处流场开始变得比较均匀，没有出现回流和偏流现象。另外从图5（a）可知，在耐磨风量调节阀的出口处，即高度z=0.3m处，流体运动速度沿断面分布就较均匀了。对于含尘气流，在通过多孔板后，粉尘浓度沿阀体断面分布是比较均匀的，这样与阀体发生切削碰撞的粉尘数量很少，并且由于速度比较低，因此对阀体的磨损将大大减轻.而对于插板阀，当开度为50%时，从图4（b）可以看出，在阀体内及出口处，出现了严重的偏流和回流现象，即使是在加长管的出口处，这种现象仍然存在，气流偏向一侧。若为含尘气流，绝大部分粉尘将会以很高的速度与阀体一侧发生切削碰撞，由于磨损与速度的三次方成正比[1]，因此这必然会导致粉尘对阀体的磨损加剧.另外，由图5（b）可知，在插板阀的出口处，即z=0.3m，速度沿断面的分布很不均匀，这将会使阀后的管件磨损加剧。

    通过对比分析可以看出，在气流通过耐磨风量调节阀和插板阀后，前者在很短的距离内即可使气流速度变得比较均匀，而后者则需要很长的距离.上述模拟结果表明，耐磨风量调节阀的原理及结构是合理的，不论是对阀的本体，还是对其后的管件，均具有较好的防磨效果。与一般的插板阀相比，耐磨风量调节阀具有使用寿命长、安装位置不受限制、调节方便等优点，可应用于除尘系统中进行阻力平衡和风量调节，其应用前景广阔。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司