調節閥｜氣動調節閥|電動調節閥
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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。 重慶普惠斯
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。
1、流模型和多相流模型 本文來自重慶普惠斯閥門
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。 本文來自重慶普惠斯閥門
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）
（2）
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式中 ui———沿i方向的速度分量，i=1，2，3 重慶普惠斯閥門
μ———介質的運動粘性系數
μt———渦粘性系數
σk———湍動能k對應的Prandtl數
σε———湍動能耗散率ε對應的Prandtl數
P———湍動能生成項 重慶普惠斯閥門
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其中 內容來自cqphs.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。 重慶普惠斯
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
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，在保證不影響調節閥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，對調節閥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
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。 重慶普惠斯閥門
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圖2 單向球閥1/2流道模型網格劃分 copyright cqphs.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。
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cqphs.com
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圖3 試驗裝置流程示意 重慶普惠斯
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調節閥，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。 cqphs.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�；旌涎b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cqphs.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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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。 本文來自重慶普惠斯閥門
1、含氣率對球閥進出口壓力差的影響 本文來自重慶普惠斯閥門
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 重慶普惠斯閥門
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%。 cqphs.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。
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。 cqphs.com
單向球閥流量系數計算式：
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（5） 重慶普惠斯
式中Cq———流量系數 copyright cqphs.com
qv———球閥閥口流量 cqphs.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 重慶普惠斯閥門
球閥的閥隙過流面積A為： 本文來自重慶普惠斯閥門
（6）
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其中
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式中 dm———閥口的等效直徑 cqphs.com
x———閥球位移 重慶普惠斯閥門
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
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 本文來自重慶普惠斯閥門
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。 重慶普惠斯閥門
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。 重慶普惠斯
1、含氣率對球閥內部兩相流場的影響 cqphs.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。 重慶普惠斯
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cqphs.com
（8）
式中 υ———介質在流道中的平均流速
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。 重慶普惠斯閥門
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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。 本文來自重慶普惠斯閥門
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��；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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