气液两相流下单向球阀动态特性数值模拟

作者:张生昌;朱乐乐;马艺;邓鸿英;王伟华 刊名:浙江工业大学学报 上传者:康丽

【摘要】基于对单向阀球的受力分析,建立单向球阀运动规律的数学模型,并进一步利用Fluent动网格和UDF仿真技术模拟单向球阀的启闭过程,研究了介质含气率、阀球材质对球阀动态特性的影响.模拟结果表明:随着介质含气率由0%增至80%,同一时刻的阀隙开度不断减小,阀球上下表面压差增长幅度达到2倍,且阀球能达到的最大升程、速度不断降低至纯液相工况的1/2以下.当阀球密度由3 800kg/m~3增大到8 900kg/m~3时,阀球上升速度减慢,球阀能达到的最大升程、速度逐渐减小,且球阀达到最大升程所需的时间也越长,尤其是含气率≤0.3时更为突出.

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往复式油气混输泵是油田实现气液混输的核心设备,其进口球阀是往复泵工作过程中的重要组件,它的设计好坏直接关系着往复泵的工作性能和使用寿命[1].而阀腔内部流动状况及流体与阀固件之间的动力学联系是球阀正确设计的关键依据,考虑到传统经验公式难以达到所需设计精度和目的,且实物实验与调试需耗费大量的人力物力,目前通过CFD技术来预测因几何与工况变化导致阀性能的变化趋势已成为热点.近年来,许多学者对各类阀的流动特性进行了模拟和实验研究,这些研究主要集中在阀芯处于某一确定开度下的稳定状态,分析了纯液相介质时阀进出口压差随开度变化的定量关系[2-5].但在实际工作中阀芯在介质作用力、重力和弹簧力等的共同作用下处于开启和关闭的运动状态,进而引起阀内流场的不断变化[6-7].因此,各工况参数如介质含气率、阀球材质等对球阀的工作性能具有较大的影响.笔者利用Fluent软件中的动网格和UDF技术,对瞬态工作下的混输泵进口球阀模型的动态特性进行数值模拟,并考察不同参数对球阀启闭过程的影响规律,为混输泵阀的设计优化提供一定的参考依据.1物理及数值模型建立1.1数学模型进口阀从开启到关闭的整个过程为吸入过程.在往复泵吸入过程中,单位时间泵内流体质量的增量应等于通过阀隙流入泵内的流体质量[8],由此可得进口阀的连续流方程为dpdt=KVAP2(pin-p)ρ槡vρv+ρdVsdt-APρdxdt[AP(Ls+x)-Vs]dρdp式中:p为泵内压力;KV为阀流量系数;AP为泵筒截面积;pin为泵入口压力;ρv为过阀流体密度;ρ为泵内流体的平均密度;Vs为t时刻阀球与阀座所形成的空间体积;x为t时刻柱塞的位移;Ls为防冲距.阀球在运动过程中受自身重力、弹簧力、流体作用力、惯性力以及流体介质对阀球的阻力等,阀球运动的微分方程为ΔpAf=mg+(R0+Kh)-F0+ma式中:Δp为阀球表面上下压差;Af为阀球工作面积;m为阀球重力;R0为弹簧预紧力;K为弹簧刚度;h为阀球升程;F0为流体介质阻力;a为阀球运动加速度.1.2几何模型往复式油气混输泵其进口单向球阀主要由阀座、阀球、导向套、升程限制器等零件构成,单个阀的理论流量为10m3/h,阀座孔直径为30mm,阀座半锥角为45°,阀座倒角长度为2 mm,阀球直径40mm,球阀限制开启高度为10mm.单向球阀几何模型简图如图1所示.1.3计算方法和边界条件动网格重新构建的计算方法选择弹性光顺法(Spring-base smoothing)和局部网格重划法(Localremeshing),模拟采用标准k—ε湍流模型[9-10],采用压力基求解器,流动为非稳态流动,Mixture多相流模型,图1混输泵进口球阀示意图Fig.1 The structural of suction ball valve in multiphase pump速度压力的耦合采用PISO算法.为表征阀球运动特性,通过C语言编制阀球运动函数并在Fluent软件进行编译计算,记录阀球当前的位置以及运动速度.介质为原油和天然气的两相混合物[11],其物理参数见表1.入口边界选择为速度入口,大小为3.93m/s,由入口速度和特征直径计算得到入口雷诺数大于1.2×104,流动为湍流,湍流强度设为10%,水力直径为30mm.出口边界设置为压力出口,绝对压力大小为0.2MPa,湍流强度为10%,湍流粘性比为10.计算模型介质含气率为0,0.3,0.5,0.8;阀球材质分别选用陶瓷、钢、铜,其密度分别为3 800,7 850,8 900kg/m3.表1介质参数Table 1 The p

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