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油氣混輸中不同含氣率下球閥內部流場試驗及仿真分析

類別:球閥 | 作者:馬藝 鄭生宏 張生昌 | 發布日期:2018-08-14 16:12:23

      隨著社會經濟的高速發展,我國的油氣供需矛盾日益突出,多相流混輸技術正在逐漸代替傳統的石油運輸技術。油氣混輸泵作為多相流混輸技術的關鍵核心,其需求量在不斷地增加。與傳統的油氣分離技術相比,其具有結構簡單、操作方便、經濟效益高、高效率等優點。而出口泵閥作為油氣混輸泵內的關鍵部件,其工作特性直接影響油氣混輸泵的性能及工作可靠性。因此,研究油氣混輸泵泵閥具有重大的經濟意義和實用價值。 重慶AG视讯试玩

     國內外多名研究者對各類泵閥做出了一系列相關的研究,如運用CFD數值模擬方法對泵閥閥芯開啟高度、閥芯運動速度等進行仿真模擬;運用PIV等方法對泵閥內部流場進行可視化試驗,分析其內部速度場,壓力數值等;通過試驗對泵閥的阻力系數、及閥芯受力特性等進行測試。但目前研究泵閥大多是在純液相工況,對氣液兩相的研究甚少。故而,本文利用CFD軟件對油氣混輸泵兩相工況下球閥進行數值模擬,研究不同含氣率對球閥內部流場的影響,同時通過試驗對球閥的進出口壓差特性進行研究,從而驗證模擬的可靠性,為球閥的設計及優化做出指導。

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一、幾何模型和初始條件

1、流模型和多相流模型 本文來自重慶AG视讯试玩閥門

    球閥內部為旋轉繞流流動,經計算可知氣液各相的雷諾數均大于臨界值,且受氣液兩相介質的混合擾動作用,所以對球閥流場進行模擬時應選擇湍流模型。k-ε雙方程模型應用較廣,本文模擬計算的采用的湍流模型將采用標準k-ε雙方程模型。在標準k-ε模型中,k和ε被看作是確定湍流尺度的基本物理量,該模型已經解決了許多工程湍流問題,結果令人滿意,對具有分離流、回流的閥道湍流流動有較好的模擬效果。 本文來自重慶AG视讯试玩閥門

    在標準k-ε湍流模型中,湍動能k和湍動能耗散率ε的輸運方程可描述為:

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    (1)

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    (2)

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式中 ui———沿i方向的速度分量,i=1,2,3 重慶AG视讯试玩閥門

       μ———介質的運動粘性系數

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       μt———渦粘性系數

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       σk———湍動能k對應的Prandtl數

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       σε———湍動能耗散率ε對應的Prandtl數

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       P———湍動能生成項 重慶AG视讯试玩閥門

    (3) 內容來自sx-yh.com

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    一般情況下,k-ε模型中經驗常數Cε1,Cε2,Cμ,σk,σε取值通常如下:Cε1=1.44,Cε2=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。 重慶AG视讯试玩

    本文分析含氣率對球閥流場的影響,含氣率的變化范圍較大,且氣相與液相的相互作用尚不明確,因此本文選擇Mixture多相流模型。

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2、幾何模型建立和網格劃分

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    單向閥的結構和基本尺寸如圖1所示,將其按圖所示的結構加工后進行試驗,驗證模擬的準確度。在數值模擬計算中,在保證不影響AG视讯试玩門關鍵區域的流動狀態和整體流場分布的情況下,實際建模時對單向球閥流道進行簡化,進而降低計算機處理計算的要求,大大節省計算工作時間,對流道的簡化部分如下:由于與閥球相連的彈簧結構主要作用是提供彈簧作用力,對AG视讯试玩的閥道流場的影響可以忽略,可將彈簧所占區域省去;另外,為了分析不同開啟高度對單向球閥進出口壓差的影響,因此取閥體進口上游至出口下游段區域作為仿真模型,計算模型的結構與試驗單向球閥流體區域的結構保持一致,確保試驗的準確度。

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圖1 試驗單向球閥的結構

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    單向球閥開啟過程中,隨著閥球開啟高度的變化,造成其接觸面不斷變化,并且流體計算域相對較大,為減少網格數并提高網格質量,本文對一半流道采取分區劃分網格,閥進口及閥腔區域采用非結構化網格,閥出口到下游管道區域采用結構化網格。文章建立了不同閥球開度的球閥流道三維模型,并對其進行了數值模擬計算,圖2為閥球開啟高度為4mm時,球閥整體計算域劃分網格示意。    重慶AG视讯试玩閥門

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圖2 單向球閥1/2流道模型網格劃分 copyright sx-yh.com

    模型單元格總數為270919,節點數為90000,對流場區域初始化后,進行迭代計算,收斂判據為模型各項參數的殘差值小于10-4。

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二、模擬準確性驗證

    為檢驗模擬的準確性,搭設了一套試驗平臺對模擬值進行驗證,試驗裝置流程如圖3所示。 內容來自sx-yh.com

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圖3 試驗裝置流程示意 重慶AG视讯试玩

    由于油、氣介質的試驗操作較不方便,且成本較高,故而用水和空氣代替進行試驗。試驗裝置的基本原理為:水箱中的水通過塑料軟管進入到齒輪泵中,通過調節變頻電機的頻率來改變齒輪泵的出口流量等工況,齒輪泵將流體輸送進入液路。與此同時,調節空氣壓縮機和管路系統出口處的AG视讯试玩,以控制進入氣路上的空氣流量,從而得到流場中不同的含氣量。在氣液兩路上都安裝有高精度的電磁流量計,確保進入氣液兩相球閥的流量值與預計值符合。 sx-yh.com

    為提高氣液兩相的混合均勻度,在改進混合器結構時,一方面增大氣液混合面積,另一方面減小氣孔的覆蓋面,從而減小射流孔的直徑,并且適當加大孔間距以避免射流錐相交形成氣囊。混合裝置使氣體沿液體管路壁面直接進入與液體混合,并綜合考慮注氣管在截面上的布置,有效地防止了射流錐交叉以及氣囊的產生,使得液相和氣相通過氣液混合裝置均勻進入到球閥內。在球閥的進出口處安裝了壓力表,其精度高達0.001MPa,用來讀取不同工況下的進出口壓力,進而得到球閥進出口壓差值。壓力表的安裝標準符合自動化儀表安裝工程質量檢驗評定標準,其帶來的誤差符合規定。

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    將模擬設置為與球閥試驗相同流量Q,開啟高度H及同一含氣率β下,同時其流動介質為水和空氣,得到的球閥進出口壓差ΔP,模擬值與試驗數據值對比如圖4,5所示。從圖可見,模擬值和試驗值基本吻合,誤差不超過15%,故而可認為模擬能較好的反映出球閥內部的真實情況,模擬的可信度較高。 內容來自sx-yh.com

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圖4 不同進口流量下球閥進出口壓差的試驗值與模擬值

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圖5 不同開啟高度下球閥進出口壓差的試驗值與模擬值

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三、球閥進出口壓力差試驗值分析

    由上文可知,當球閥內部流動介質為水、空氣時,模擬和試驗吻合度較好。下面將流動介質變為油、氣,模擬出油氣混輸泵泵閥內流動的真實流動狀態,以期研究不同工況下球閥的運動特性。 本文來自重慶AG视讯试玩閥門

1、含氣率對球閥進出口壓力差的影響 本文來自重慶AG视讯试玩閥門

    將閥門球體開啟高度固定在3mm,閥球進口流量從5m3/h逐漸增加到9m3/h,研究含氣率對進出口壓力差的影響。不同進口流量時含氣率與進出口壓力差關系曲線如圖6所示。

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圖6 含氣率與進出口壓力差的關系曲線 重慶AG视讯试玩閥門

    從圖可見,當球閥進口流量為9m3/h時,隨著含氣率β從0增加到0.9,球閥進出口壓力差從0.052MPa降低到0.005MPa,降低了大概94%,降低幅度非常明顯。同樣,在球閥進口流量為5m3/h時,純液工況下球閥進出口壓力差為0.016MPa,當含氣率β變為0.2時,壓力差驟降為0.013MPa,隨著含氣率的進一步增加,壓力差一直不斷地減小,直到降低為0.002,降低幅度約為85%。 sx-yh.com

    觀察5條曲線的共性可知,在相同的流量和開啟高度下,隨著含氣率的增加,球閥進出口壓力差較均勻地降低,且降低幅度比較明顯,這是由于隨著含氣率的增加,氣液兩相流的混合密度降低,同體積下流動介質質量降低,從而導致動量降低,湍動能強度降低,從而導致進出口壓力差降低。

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2、含氣率對球閥內流動特性的影響

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    在泵閥設計計算時,閥的流量系數是一個關鍵參數,在實際應用中,由于閥的種類、閥腔流道結構的不同,研究者往往通過檢測閥進出口的壓力來計算閥的流量系數。 sx-yh.com

單向球閥流量系數計算式:

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    (5) 重慶AG视讯试玩

式中Cq———流量系數 copyright sx-yh.com

        qv———球閥閥口流量 sx-yh.com

        Δp———球閥進出口壓力差

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        A———球閥過流面積

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        ρ———介質密度 重慶AG视讯试玩閥門

球閥的閥隙過流面積A為: 本文來自重慶AG视讯试玩閥門

    (6)

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其中

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式中 dm———閥口的等效直徑 sx-yh.com

       x———閥球位移 重慶AG视讯试玩閥門

       R———閥球半徑

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  氣液兩相介質的密度為:

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  式中 β———介質含氣率

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       ρg———氣體密度

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       ρl———液體密度

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    當流量Q為10m3/h,含氣率β分別為0,0.2,0.4,0.6,0.8,開啟高度H分別為2,3,4,5,6mm的工況下,采集單向球閥進出口表面壓力數據,并對其面積進行加權平均,獲得球閥進出口表面平均壓力差,再確定不同開啟高度、介質含氣率下的流量系數。將流量、密度代入式(5)進行計算,得到球閥的流量系數與介質含氣率的關系曲線,如圖7所示。

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圖7 含氣率與流量系數的關系曲線 本文來自重慶AG视讯试玩閥門

     當開啟高度為2mm時,隨著閥球進口含氣率β從0逐漸增加到0.2的過程中,其流量系數從0.502降低為0.501,降低幅度約為0.02%,而后隨著含氣率的進一步增加為0.8時,其值變為0.502。而當開啟高度為3mm時,隨著閥球進口含氣率β從0逐漸增加到0.4的過程中,其流量系數從0.477降低為0.476,而后隨著含氣率的進一步增加,其值在0.477左右。 重慶AG视讯试玩閥門

     從流量系數變化曲線可以看出:在同一流量和開啟高度下,含氣率的變化導致球閥進出口壓差變化,同時內部流體介質密度也發生變化,球閥流量系數變化不明顯,說明介質含氣率對單向球閥的流量系數影響較小。這是在流量Q為定值時,由于氣體的密度遠小于液體的密度,含氣率的增加對氣液兩相流的密度影響不大,而在同一開啟高度,使得球閥過流面積為定值,從而使得流量系數沒有較大變化。 重慶AG视讯试玩

四、球閥內部兩相流場分析

1、含氣率對球閥內部兩相流場的影響 sx-yh.com

    圖8是開啟高度H為2mm、流量Q為8m3/h,含氣率β分別為0.2,0.3,0.4,0.5的氣相體積分數分布云圖。 重慶AG视讯试玩

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圖8 H=2mm,Q=8m3/h時不同含氣率下的氣相體積分數分布云圖

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     對比4種工況的云圖可知,在球閥內部的閥球尾部A處氣相分布較多,這是由于閥內尾流產生了旋渦,旋渦中含有大量氣體,附著在A處。在閥內部B處出氣相也較其鄰域處氣相較多,因為B位于閥球間隙處,該處不僅流道產生突變,且過流面積最小,氣液兩相流流經B處時,氣相粘附在此處。而當流體流經C處時,由于該處為突擴界面處,此處產生了二次回流,有部分旋渦產生,旋渦中包裹大量氣體,使得C處含氣率增加。對比圖4(a)~(d)還可看出,其也有不同之處,隨著含氣率β的增加,閥球尾部的氣相分布逐漸增加,但增加幅度不大,內部流場也發生改變。

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2、球閥內部流阻系數分析

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流阻系數ζ計算式: 內容來自sx-yh.com

    (8)

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式中 υ———介質在流道中的平均流速

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     在流量Q為10m3/h,含氣率β分別為0,0.2,0.4,0.6,0.8,開啟高度H分別為2,3,4,5,6mm工況下,分別采集在單向球閥內部流道的速度數據,并對其體積進行加權平均,獲得介質在流道中的平均流速,再將進出口壓力差、介質密度代入式(8)進行計算,得到球閥的流阻系數與開啟高度、介質含氣率的關系曲線,如圖9所示。 重慶AG视讯试玩閥門

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圖9 流阻系數與開啟高度、含氣率的關系曲線

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    從圖可見,在含氣率β為0時,隨著閥球開啟高度H從2mm逐漸增加到6mm的過程中,其流阻系數從22.8降低為3.9,降低幅度約為82.9%。在開啟高度H為2mm時,含氣率由0增加到0.2時,流阻系數由22.8變為22.7,含氣率繼續增加為0.4時,流阻系數變為22.8,直到含氣率增加為0.8時流阻系數為22.7,流阻系數幾乎沒有變化。 本文來自重慶AG视讯试玩閥門

     由流阻系數變化曲線可以看出:當閥球進出口流量、介質含氣率一定時,隨著閥球開度的增大,球閥的流阻系數逐漸減小,并且減小的幅度在變小;當閥球進出口流量、開啟高度一定時,隨著含氣率的增大,球閥的流阻系數幾乎維持不變,說明介質含氣率對單向球閥的流阻系數影響很小。初步分析可知,由于含氣率的增加使得球閥進出口壓差降低,同時流體介質的密度降低,速度也發生相應變化,三者疊加在一起使得流阻系數呈現逐漸減小的規律。

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五、結論

  1. 氣液兩相流流經閥球內部時,閥球尾部聚集了大量的氣相,且在內部四周壁面的氣相分布較少。在同一進出口流量和開啟高度下,含氣率對流場有一定的影響。
  2. 在相同的開啟高度及進出口流量下,隨著含氣率的增加,由于氣液兩相流動量降低,湍動能強度下降,球閥進出口壓力差較均勻的降低,且降低幅度比較明顯。特別是進出口流量較高的情況下,壓降變化更加明顯。
  3. 當閥球開啟高度及進出口流量恒定時,隨著含氣率的增大,閥球底面的壓力不斷減小,閥門進出口壓力差也呈現出減小的趨勢,而兩相介質的含氣率的變化對閥內的速度場影響不大。此外,介質含氣率的變化對閥流量系數及流阻系數影響很小。
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