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油气混输中不同含气率下球阀内部流场试验及仿真分析

类别:球阀 | 作者:马艺 郑生宏 张生昌 | 发布日期:2019-08-14 16:12:23

      随着社会经济的高速发展,我国的油气供需矛盾日益突出,多相流混输技术正在逐渐代替传统的石油运输技术。油气混输泵作为多相流混输技术的关键核心,其需求量在不断地增加。与传统的油气分离技术相比,其具有结构简单、操作方便、经济效益高、高效率等优点。而出口泵阀作为油气混输泵内的关键部件,其工作特性直接影响油气混输泵的性能及工作可靠性。因此,研究油气混输泵泵阀具有重大的经济意义和实用价值。

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     国内外多名研究者对各类泵阀做出了一系列相关的研究,如运用CFD数值模拟方法对泵阀阀芯开启高度、阀芯运动速度等进行仿真模拟;运用PIV等方法对泵阀内部流场进行可视化试验,分析其内部速度场,压力数值等;通过试验对泵阀的阻力系数、及阀芯受力特性等进行测试。但目前研究泵阀大多是在纯液相工况,对气液两相的研究甚少。故而,本文利用CFD软件对油气混输泵两相工况下球阀进行数值模拟,研究不同含气率对球阀内部流场的影响,同时通过试验对球阀的进出口压差特性进行研究,从而验证模拟的可靠性,为球阀的设计及优化做出指导。 重庆爱游戏

一、几何模型和初始条件

1、流模型和多相流模型

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    球阀内部为旋转绕流流动,经计算可知气液各相的雷诺数均大于临界值,且受气液两相介质的混合扰动作用,所以对球阀流场进行模拟时应选择湍流模型。k-ε双方程模型应用较广,本文模拟计算的采用的湍流模型将采用标准k-ε双方程模型。在标准k-ε模型中,k和ε被看作是确定湍流尺度的基本物理量,该模型已经解决了许多工程湍流问题,结果令人满意,对具有分离流、回流的阀道湍流流动有较好的模拟效果。

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    在标准k-ε湍流模型中,湍动能k和湍动能耗散率ε的输运方程可描述为: cqphs.com

湍动能k和湍动能耗散率ε的计算公式    (1) copyright cqphs.com

湍动能k和湍动能耗散率ε的方程式    (2)

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式中 ui———沿i方向的速度分量,i=1,2,3

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       μ———介质的运动粘性系数

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       μt———涡粘性系数 内容来自cqphs.com

       σk———湍动能k对应的Prandtl数

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       σε———湍动能耗散率ε对应的Prandtl数 本文来自重庆爱游戏 阀门

       P———湍动能生成项 cqphs.com

湍动能生成项公式    (3) 重庆爱游戏 阀门

    其中 重庆爱游戏

涡粘性系数计算公式

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    一般情况下,k-ε模型中经验常数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。

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    本文分析含气率对球阀流场的影响,含气率的变化范围较大,且气相与液相的相互作用尚不明确,因此本文选择Mixture多相流模型。

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2、几何模型建立和网格划分 重庆爱游戏 阀门

    单向阀的结构和基本尺寸如图1所示,将其按图所示的结构加工后进行试验,验证模拟的准确度。在数值模拟计算中,在保证不影响调节阀门关键区域的流动状态和整体流场分布的情况下,实际建模时对单向球阀流道进行简化,进而降低计算机处理计算的要求,大大节省计算工作时间,对流道的简化部分如下:由于与阀球相连的弹簧结构主要作用是提供弹簧作用力,对调节阀的阀道流场的影响可以忽略,可将弹簧所占区域省去;另外,为了分析不同开启高度对单向球阀进出口压差的影响,因此取阀体进口上游至出口下游段区域作为仿真模型,计算模型的结构与试验单向球阀流体区域的结构保持一致,确保试验的准确度。 cqphs.com

试验单向球阀的结构 copyright cqphs.com

图1 试验单向球阀的结构

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    单向球阀开启过程中,随着阀球开启高度的变化,造成其接触面不断变化,并且流体计算域相对较大,为减少网格数并提高网格质量,本文对一半流道采取分区划分网格,阀进口及阀腔区域采用非结构化网格,阀出口到下游管道区域采用结构化网格。文章建立了不同阀球开度的球阀流道三维模型,并对其进行了数值模拟计算,图2为阀球开启高度为4mm时,球阀整体计算域划分网格示意。   

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单向球阀1/2流道模型网格划分 本文来自重庆爱游戏 阀门

图2 单向球阀1/2流道模型网格划分 copyright cqphs.com

    模型单元格总数为270919,节点数为90000,对流场区域初始化后,进行迭代计算,收敛判据为模型各项参数的残差值小于10-4。

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二、模拟准确性验证

    为检验模拟的准确性,搭设了一套试验平台对模拟值进行验证,试验装置流程如图3所示。 重庆爱游戏

试验装置流程示意

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图3 试验装置流程示意 重庆爱游戏 阀门

    由于油、气介质的试验操作较不方便,且成本较高,故而用水和空气代替进行试验。试验装置的基本原理为:水箱中的水通过塑料软管进入到齿轮泵中,通过调节变频电机的频率来改变齿轮泵的出口流量等工况,齿轮泵将流体输送进入液路。与此同时,调节空气压缩机和管路系统出口处的调节阀,以控制进入气路上的空气流量,从而得到流场中不同的含气量。在气液两路上都安装有高精度的电磁流量计,确保进入气液两相球阀的流量值与预计值符合。

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    为提高气液两相的混合均匀度,在改进混合器结构时,一方面增大气液混合面积,另一方面减小气孔的覆盖面,从而减小射流孔的直径,并且适当加大孔间距以避免射流锥相交形成气囊。混合装置使气体沿液体管路壁面直接进入与液体混合,并综合考虑注气管在截面上的布置,有效地防止了射流锥交叉以及气囊的产生,使得液相和气相通过气液混合装置均匀进入到球阀内。在球阀的进出口处安装了压力表,其精度高达0.001MPa,用来读取不同工况下的进出口压力,进而得到球阀进出口压差值。压力表的安装标准符合自动化仪表安装工程质量检验评定标准,其带来的误差符合规定。 cqphs.com

    将模拟设置为与球阀试验相同流量Q,开启高度H及同一含气率β下,同时其流动介质为水和空气,得到的球阀进出口压差ΔP,模拟值与试验数据值对比如图4,5所示。从图可见,模拟值和试验值基本吻合,误差不超过15%,故而可认为模拟能较好的反映出球阀内部的真实情况,模拟的可信度较高。 cqphs.com

不同进口流量下球阀进出口压差的试验值与模拟值 本文来自重庆爱游戏 阀门

图4 不同进口流量下球阀进出口压差的试验值与模拟值 cqphs.com

不同开启高度下球阀进出口压差的试验值与模拟值

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图5 不同开启高度下球阀进出口压差的试验值与模拟值

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三、球阀进出口压力差试验值分析

    由上文可知,当球阀内部流动介质为水、空气时,模拟和试验吻合度较好。下面将流动介质变为油、气,模拟出油气混输泵泵阀内流动的真实流动状态,以期研究不同工况下球阀的运动特性。 重庆爱游戏

1、含气率对球阀进出口压力差的影响

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    将阀门球体开启高度固定在3mm,阀球进口流量从5m3/h逐渐增加到9m3/h,研究含气率对进出口压力差的影响。不同进口流量时含气率与进出口压力差关系曲线如图6所示。

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含气率与进出口压力差的关系曲线

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图6 含气率与进出口压力差的关系曲线 本文来自重庆爱游戏 阀门

    从图可见,当球阀进口流量为9m3/h时,随着含气率β从0增加到0.9,球阀进出口压力差从0.052MPa降低到0.005MPa,降低了大概94%,降低幅度非常明显。同样,在球阀进口流量为5m3/h时,纯液工况下球阀进出口压力差为0.016MPa,当含气率β变为0.2时,压力差骤降为0.013MPa,随着含气率的进一步增加,压力差一直不断地减小,直到降低为0.002,降低幅度约为85%。

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    观察5条曲线的共性可知,在相同的流量和开启高度下,随着含气率的增加,球阀进出口压力差较均匀地降低,且降低幅度比较明显,这是由于随着含气率的增加,气液两相流的混合密度降低,同体积下流动介质质量降低,从而导致动量降低,湍动能强度降低,从而导致进出口压力差降低。

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2、含气率对球阀内流动特性的影响 cqphs.com

    在泵阀设计计算时,阀的流量系数是一个关键参数,在实际应用中,由于阀的种类、阀腔流道结构的不同,研究者往往通过检测阀进出口的压力来计算阀的流量系数。

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单向球阀流量系数计算式: 本文来自重庆爱游戏 阀门

单向球阀流量系数计算公式    (5)

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式中Cq———流量系数 内容来自cqphs.com

        qv———球阀阀口流量 重庆爱游戏 阀门

        Δp———球阀进出口压力差

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        A———球阀过流面积 重庆爱游戏 阀门

        ρ———介质密度 copyright cqphs.com

球阀的阀隙过流面积A为: 内容来自cqphs.com

球阀的阀隙过流面积A    (6)

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其中 重庆爱游戏

调节阀口的等效直径

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式中 dm———阀口的等效直径

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       x———阀球位移 cqphs.com

       R———阀球半径 重庆爱游戏 阀门

  气液两相介质的密度为:

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气液两相介质的密度    (7)

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  式中 β———介质含气率

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       ρg———气体密度 重庆爱游戏 阀门

       ρl———液体密度 cqphs.com

    当流量Q为10m3/h,含气率β分别为0,0.2,0.4,0.6,0.8,开启高度H分别为2,3,4,5,6mm的工况下,采集单向球阀进出口表面压力数据,并对其面积进行加权平均,获得球阀进出口表面平均压力差,再确定不同开启高度、介质含气率下的流量系数。将流量、密度代入式(5)进行计算,得到球阀的流量系数与介质含气率的关系曲线,如图7所示。 cqphs.com

含气率与流量系数的关系曲线 本文来自重庆爱游戏 阀门

图7 含气率与流量系数的关系曲线

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     当开启高度为2mm时,随着阀球进口含气率β从0逐渐增加到0.2的过程中,其流量系数从0.502降低为0.501,降低幅度约为0.02%,而后随着含气率的进一步增加为0.8时,其值变为0.502。而当开启高度为3mm时,随着阀球进口含气率β从0逐渐增加到0.4的过程中,其流量系数从0.477降低为0.476,而后随着含气率的进一步增加,其值在0.477左右。 本文来自重庆爱游戏 阀门

     从流量系数变化曲线可以看出:在同一流量和开启高度下,含气率的变化导致球阀进出口压差变化,同时内部流体介质密度也发生变化,球阀流量系数变化不明显,说明介质含气率对单向球阀的流量系数影响较小。这是在流量Q为定值时,由于气体的密度远小于液体的密度,含气率的增加对气液两相流的密度影响不大,而在同一开启高度,使得球阀过流面积为定值,从而使得流量系数没有较大变化。

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四、球阀内部两相流场分析

1、含气率对球阀内部两相流场的影响 重庆爱游戏 阀门

    图8是开启高度H为2mm、流量Q为8m3/h,含气率β分别为0.2,0.3,0.4,0.5的气相体积分数分布云图。

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不同含气率下的气相体积分数分布云图 重庆爱游戏 阀门

图8 H=2mm,Q=8m3/h时不同含气率下的气相体积分数分布云图 cqphs.com

     对比4种工况的云图可知,在球阀内部的阀球尾部A处气相分布较多,这是由于阀内尾流产生了旋涡,旋涡中含有大量气体,附着在A处。在阀内部B处出气相也较其邻域处气相较多,因为B位于阀球间隙处,该处不仅流道产生突变,且过流面积最小,气液两相流流经B处时,气相粘附在此处。而当流体流经C处时,由于该处为突扩界面处,此处产生了二次回流,有部分旋涡产生,旋涡中包裹大量气体,使得C处含气率增加。对比图4(a)~(d)还可看出,其也有不同之处,随着含气率β的增加,阀球尾部的气相分布逐渐增加,但增加幅度不大,内部流场也发生改变。 本文来自重庆爱游戏 阀门

2、球阀内部流阻系数分析 本文来自重庆爱游戏 阀门

流阻系数ζ计算式:

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    (8) 重庆爱游戏

式中 υ———介质在流道中的平均流速

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     在流量Q为10m3/h,含气率β分别为0,0.2,0.4,0.6,0.8,开启高度H分别为2,3,4,5,6mm工况下,分别采集在单向球阀内部流道的速度数据,并对其体积进行加权平均,获得介质在流道中的平均流速,再将进出口压力差、介质密度代入式(8)进行计算,得到球阀的流阻系数与开启高度、介质含气率的关系曲线,如图9所示。 重庆爱游戏

流阻系数与开启高度、含气率的关系曲线

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图9 流阻系数与开启高度、含气率的关系曲线 重庆爱游戏

    从图可见,在含气率β为0时,随着阀球开启高度H从2mm逐渐增加到6mm的过程中,其流阻系数从22.8降低为3.9,降低幅度约为82.9%。在开启高度H为2mm时,含气率由0增加到0.2时,流阻系数由22.8变为22.7,含气率继续增加为0.4时,流阻系数变为22.8,直到含气率增加为0.8时流阻系数为22.7,流阻系数几乎没有变化。

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     由流阻系数变化曲线可以看出:当阀球进出口流量、介质含气率一定时,随着阀球开度的增大,球阀的流阻系数逐渐减小,并且减小的幅度在变小;当阀球进出口流量、开启高度一定时,随着含气率的增大,球阀的流阻系数几乎维持不变,说明介质含气率对单向球阀的流阻系数影响很小。初步分析可知,由于含气率的增加使得球阀进出口压差降低,同时流体介质的密度降低,速度也发生相应变化,三者叠加在一起使得流阻系数呈现逐渐减小的规律。

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五、结论

  1. 气液两相流流经阀球内部时,阀球尾部聚集了大量的气相,且在内部四周壁面的气相分布较少。在同一进出口流量和开启高度下,含气率对流场有一定的影响。
  2. 在相同的开启高度及进出口流量下,随着含气率的增加,由于气液两相流动量降低,湍动能强度下降,球阀进出口压力差较均匀的降低,且降低幅度比较明显。特别是进出口流量较高的情况下,压降变化更加明显。
  3. 当阀球开启高度及进出口流量恒定时,随着含气率的增大,阀球底面的压力不断减小,阀门进出口压力差也呈现出减小的趋势,而两相介质的含气率的变化对阀内的速度场影响不大。此外,介质含气率的变化对阀流量系数及流阻系数影响很小。
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