基于CFD的球閥三維流場數(shù)值模擬

2013-10-30 張生昌浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

　　為了探索新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵出口球閥內(nèi)流場規(guī)律，建立球閥流場的三維模型，利用Fluent軟件，將標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型與多相流技術(shù)相結(jié)合，采用SIMPLE 算法，對新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵出口球閥內(nèi)的三維氣液兩相流場進(jìn)行數(shù)值模擬。在容積含氣率為25% ，50% ，75% 的不同工況下，通過對球閥開啟高度分別為3，5，7mm 時的速度場、壓力場與氣液相分布的分析，探討在氣液混輸過程中閥的開啟高度及不同氣液比對閥內(nèi)流場的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明：球閥開啟高度越大，閥球上下壓差越��；閥隙流速隨著開啟高度的增大而減小。

　　球閥具有結(jié)構(gòu)簡單、互換性強(qiáng)、裝拆方便、便于清洗等優(yōu)點(diǎn)。為解決油田油氣混輸難題，將球閥與傳統(tǒng)外環(huán)流轉(zhuǎn)子泵結(jié)合，即在傳統(tǒng)外環(huán)流轉(zhuǎn)子泵出口增設(shè)了1組球閥，使其具有內(nèi)壓縮功能，能更好地適應(yīng)氣液兩相工況。目前，對于球閥的研究基本上是針對容積式往復(fù)泵球閥，主要建立球閥運(yùn)動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，研究球閥的開啟特性等內(nèi)容，且工況為純液態(tài)工況；對球閥閥口氣穴流場進(jìn)行的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究也局限于液體介質(zhì)。目前尚未見有關(guān)轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵球閥運(yùn)動規(guī)律的研究報(bào)道。因此，對新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵出口球閥的研究就顯得很有必要。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，應(yīng)用CFD方法對流場進(jìn)行分析已經(jīng)成為泵閥領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為實(shí)現(xiàn)新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵出口球閥三維流場的數(shù)值模擬，對于球閥的設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有重要意義。

1、球閥結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

　　1.1、球閥結(jié)構(gòu)

　　圖1為轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵工作示意圖。新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵在出口增設(shè)球閥以后，介質(zhì)要通過球閥才能輸送到出口管線中。當(dāng)球閥關(guān)閉時，閥球與兩轉(zhuǎn)子及端板形成封閉容積V。由于轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)，封閉容積V不斷減小，容積中壓力不斷升高，直到封閉容積內(nèi)的壓力達(dá)到開啟壓力時，閥球打開，介質(zhì)被排出。

圖1 轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵工作示意圖

　　圖2為出口球閥結(jié)構(gòu)示意圖。球閥由閥座和閥球組成，閥球開啟后，介質(zhì)由閥座孔入口流入，通過閥隙進(jìn)入泵的排液腔。閥座孔直徑d=0.065m，閥座錐角α=45°，錐角長度l=0.005m，閥球半徑R=0.045m。

圖2 出口球閥結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.2、建模與網(wǎng)格劃分

　　由于出口球閥尺寸相對整臺泵非常小，在整臺泵計(jì)算過程中，難以得到閥隙處的詳細(xì)流動情況。因此，為了更全面地了解閥隙周圍與閥內(nèi)的壓力和速度分布，選取閥座與閥球間隙及閥球兩側(cè)部分作為研究對象，進(jìn)行建模與分析。此外，球閥幾何形狀簡單且為軸對稱圖形，為了研究方便且減少計(jì)算量，采取三維軸對稱模型，建立一半計(jì)算區(qū)域。利用Pro/E軟件建立開啟高度為3mm時球閥的計(jì)算區(qū)域模型。將物理模型導(dǎo)入Fluent前處理軟件Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了劃分質(zhì)量較好的網(wǎng)格，對模型進(jìn)行了分割并采用六面體/四面體混合單元，由于閥口的壓力梯度變化較大，因此對閥口加密了網(wǎng)格，使模擬結(jié)果更準(zhǔn)確。三維模型及網(wǎng)格如圖3所示。同理可得到開啟高度分別為5，7mm時的模型和網(wǎng)格。

圖3 開啟高度為3mm時的模型與網(wǎng)格

2、模擬計(jì)算

　　2.1、邊界條件

　　介質(zhì)為原油和天然氣兩相混合物，原油的物理參數(shù)設(shè)置為ρoil=856kg/m3，動力黏度ν=0.0072Pa·s，并假設(shè)原油不可壓縮；天然氣在Fluent自帶的材料里選擇。

　　1) 速度入口。新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵的出口閥由3個球閥組成，已知泵的流量為100m3/h，假設(shè)通過每個球閥的流量相等且忽略泄漏，則由連續(xù)流條件可得通過每個閥座的速度為

(1)

　　式中：υ0為入口速度，m/s，方向與閥座入口邊垂直；Q為泵的流量，m3/h；d為閥座孔直徑，m。由入口速度和特征直徑計(jì)算得到入口雷諾數(shù)大于1.2×104，流動為湍流，湍流強(qiáng)度設(shè)為10%，水力直徑為0.065m。

　　2) 壓力出口。已知出口絕對壓力為1.2MPa。

　　2.2、求解器與算法

　　模擬采用隱式壓力基求解器，流動為穩(wěn)態(tài)流動. 求解模型選擇兩相混合模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。

3、模擬結(jié)果與分析

　　3.1、壓力場分析

　　圖4-6為不同含氣率條件下，球閥在不同開啟高度時對稱面上的壓力分布云圖。

圖4 含氣率為25%時對稱面上的靜壓分布

圖5 含氣率為50%時對稱面上的靜壓分布

圖6 含氣率為75%時對稱面上的靜壓分布

　　由壓力云圖可得，當(dāng)開啟高度為3mm，含氣率分別為25%，50% ，75% 時，閥球上下壓差分別為0.06，0.04，0.02MPa；當(dāng)開啟高度為5mm，含氣率分別為25%，50% ，75% 時，閥球上下壓差分別為0.04，0.02，0.01MPa；當(dāng)開啟高度為7mm，含氣率分別為25%，50% ，75% 時，閥球上下壓差分別為0.02，0.01，0.01MPa. 以上分析表明：

　　1) 在同一含氣率的條件下，隨著開啟高度的增大，閥球上下壓差逐漸減小。

　　2) 在某一較小的固定開啟高度時，閥球上下壓差隨含氣率增大而減��；開啟高度較大時，含氣率對閥球上下壓差影響較小。

　　3) 含氣率大時，閥球上下壓差較小且受開啟高度的影響較小。

　　4) 在球閥的整個流場中，閥隙處的壓強(qiáng)最小。

　　3.2、速度分析

　　圖7-9為不同含氣率和開啟高度下流場Y-Z截面上的速度云圖和流線圖。

圖7 含氣率為25%時不同開啟高度的速度云圖和流線圖

圖8 含氣率為50%時不同開啟高度的速度云圖和流線圖

圖9 含氣率為75%時不同開啟高度的速度云圖和流線圖

　　由速度云圖可知：氣液比一定時，由于過流斷面突然減小，閥隙處的流速最大。隨著開啟高度的增大，閥隙流速不斷減小。圖7中，開啟高度為5mm時，閥隙流速為10m/s；開啟高度為7mm時閥隙流速只有7m/s。

　　由流線圖可知，在閥隙附近有部分介質(zhì)由于壓差的作用回流，之后被閥隙的高速介質(zhì)帶出。例如圖7a中的流線所示，部分介質(zhì)從出口回流，但在閥隙附近流線方向突然改變，與從閥隙流出的介質(zhì)一起沿著閥球壁附近流出。

　　另外，當(dāng)開啟高度為3mm時，含氣率分別為25% ，50% ，75% 對應(yīng)的閥隙流速均為15m/s。由上可知，同一開啟高度下，含氣率對閥隙流速的影響不大。但同一開啟高度下不同含氣率的流線不同，如開啟高度為3mm時，含氣率為75%的流線圖出現(xiàn)交叉流線，不同于另外2種開啟高度的流線，說明含氣率對介質(zhì)的流動狀態(tài)有一定的影響。

　　3.3、相態(tài)分布分析

　　圖10為開啟高度為3mm時，不同含氣率的氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。

　　由圖10可知，氣相主要分布在閥球壁附近，遠(yuǎn)離閥球的氣相介質(zhì)逐漸減少。通過模擬結(jié)果可知，氣相介質(zhì)密度較小，在閥球開啟前，閥球底部分布的主要為氣體，球閥開啟后，氣體介質(zhì)首先排出。這表明，氣液兩相分界較為明顯，有利于氣相介質(zhì)的單獨(dú)回收。