关于CFD的球阀三维流场数值模拟

访问:29    时间:2019-3-21 10:00:44

球阀具有结构简单、互换性强、装拆方便、便于清洗等优点。为解决油田油气混输难题,将球阀与传统外环流转子泵结合,即在传统外环流转子泵出口增设了1组球阀,使其具有内压缩功能,能更好地适应气液两相工况。目前,对于球阀的研究基本上是针对容积式往复泵球阀,主要建立球阀运动规律的数学模型,研究球阀的开启特性等内容,且工况为纯液态工况;对球阀阀口气穴流场进行的数值模拟与试验研究也局限于液体介质。 目前尚未见有关转子式油气混输泵球阀运动规律的研究报道。因此,对新型转子式油气混输泵出口球阀的研究就显得很有必要

随着计算机技术和计算流体力学的发展,应用CFD方法对流场进行分析已经成为泵阀领域的研究热点。因此,实现新型转子式油气混输泵出口球阀三维流场的数值模拟,对于球阀的设计及优化具有重要意义。

1 球阀结构及网格划分

1.1 球阀结构

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图1为转子式油气混输泵工作示意图。新型转子式油气混输泵在出口增设球阀以后,介质要通过球阀才能输送到出口管线中。当球阀关闭时,阀球与两转子及端板形成封闭容积V。由于转子不断旋转,封闭容积V不断减小,容积中压力不断升高,直到封闭容积内的压力达到开启压力时,阀球打开,介质被排出。

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图2为出口球阀结构示意图。球阀由阀座和阀球组成,阀球开启后,介质由阀座孔入口流入,通过阀隙进入泵的排液腔。阀座孔直径d=0.065m,阀座锥角α=45°,锥角长度l=0.005m,阀球半径R=0.045m。


1.2 建模与网格划分

由于出口球阀尺寸相对整台泵非常小,在整台泵计算过程中,难以得到阀隙处的详细流动情况。因此,为了更全面地了解阀隙周围与阀内的压力和速度分布,选取阀座与阀球间隙及阀球两侧部分作为研究对象,进行建模与分析。此外,球阀几何形状简单且为轴对称图形,为了研究方便且减少计算量,采取三维轴对称模型,建立一半计算区域。利用Pro/E软件建立开启高度为3mm时球阀的计算区域模型。将物理模型导入Fluent前处理软件Gambit中进行网格划分。为了划分质量较好的网格,对模型进行了分割并采用六面体/四面体混合单元,由于阀口的压力梯度变化较大,因此对阀口加密了网格,使模拟结果更准确。三维模型及网格如图3所示。同理可得到开启高度分别为5,7mm时的模型和网格。


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图3 开启高度为3mm时的模型与网格

2 模拟计算

2。1 边界条件

介质为原油和天然气两相混合物,原油的物理参数设置为ρoil=856kg/m3,动力黏度ν=0.0072Pa·s,并假设原油不可压缩;天然气在Fluent自带的材料里选择。

1) 速度入口。新型转子式油气混输泵的出口阀由3个球阀组成,已知泵的流量为100m3/h,假设通过每个球阀的流量相等且忽略泄漏,则由连续流条件可得通过每个阀座的速度为

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式中:υ0为入口速度,m/s,方向与阀座入口边垂直;Q为泵的流量,m3/h;d为阀座孔直径,m。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0.065m。

2) 压力出口。已知出口绝对压力为1.2MPa。

2.2 求解器与算法

模拟采用隐式压力基求解器,流动为稳态流动. 求解模型选择两相混合模型和标准k-ε湍流模型。压力与速度耦合采用SIMPLE算法。

3 模拟结果与分析

3。1 压力场分析

图4-6为不同含气率条件下,球阀在不同开启高度时对称面上的压力分布云图。



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由压力云图可得,当开启高度为3mm,含气率分别为25%,50% ,75% 时,阀球上下压差分别为0.06,0.04,0.02MPa;当开启高度为5mm,含气率分别为25%,50% ,75% 时,阀球上下压差分别为0.04,0.02,0.01MPa;当开启高度为7mm,含气率分别为25%,50% ,75% 时,阀球上下压差分别为0.02,0.01,0.01MPa. 以上分析表明:

1) 在同一含气率的条件下,随着开启高度的增大,阀球上下压差逐渐减小。

2) 在某一较小的固定开启高度时,阀球上下压差随含气率增大而减小; 开启高度较大时,含气率对阀球上下压差影响较小。

3) 含气率大时,阀球上下压差较小且受开启高度的影响较小。

4) 在球阀的整个流场中,阀隙处的压强最小。

3.2 速度分析

图7-9为不同含气率和开启高度下流场Y-Z截面上的速度云图和流线图。

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由速度云图可知:气液比一定时,由于过流断面突然减小,阀隙处的流速最大。随着开启高度的增大,阀隙流速不断减小。图7中,开启高度为5mm时,阀隙流速为10m/s;开启高度为7mm时阀隙流速只有7m/s。

由流线图可知,在阀隙附近有部分介质由于压差的作用回流,之后被阀隙的高速介质带出。例如图7a中的流线所示,部分介质从出口回流,但在阀隙附近流线方向突然改变,与从阀隙流出的介质一起沿着阀球壁附近流出。

另外,当开启高度为3mm时,含气率分别为25% ,50% ,75% 对应的阀隙流速均为15m/s。由上可知,同一开启高度下,含气率对阀隙流速的影响不大。但同一开启高度下不同含气率的流线不同,如开启高度为3mm时,含气率为75%的流线图出现交叉流线,不同于另外2种开启高度的流线,说明含气率对介质的流动状态有一定的影响。


3.3 相态分布分析

图10为开启高度为3mm时,不同含气率的气相体积分数分布云图。

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由图10可知,气相主要分布在阀球壁附近,远离阀球的气相介质逐渐减少。通过模拟结果可知,气相介质密度较小,在阀球开启前,阀球底部分布的主要为气体,球阀开启后,气体介质首先排出。这表明,气液两相分界较为明显,有利于气相介质的单独回收。

4 结论

1) 在含气率一定的条件下,随着开启高度的增大,阀球上下压差逐渐减小; 在球阀的整个流场中,阀球底部压力最大; 阀隙处压力梯度大,阀座倒角下端处较容易产生气蚀。

2)在含气率一定时,阀隙流速随着开启高度的增大不断减小。 部分介质由于压差的作用回流,之后被阀隙的高速介质带出。同一开启高度下,含气率对阀隙速度的影响不大,但对流动状态有一定的影响。

3)新型转子式油气混输泵在输送气液两相介质时,气相主要分布在阀球壁附近,远离阀球气相介质逐渐减少。


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