調節閥｜氣動調節閥|電動調節閥
服務熱線：132-7192-3998
類別：球閥 | 作者：江帆 岳鵬飛 黎斯杰 | 發布日期：2018-08-02 16:00:25
油水環狀流（兩相流）稠油運輸是一種低能耗的高黏度石油管道運輸方式，球閥是石油管道運輸系統中的重要零部件，其開啟過程對閥內環狀流會產生影響。劉曄等利用流體軟件FLUENT分析了球閥內部的漩渦流動及流量系數；Tabrizi等分析了不同開度下球閥內流動特征、壓力降、漩渦等；王慧杰對球閥啟閉動態特性進行了數值模擬與試驗研究，揭示了球閥開啟和關閉過程的壓差和流阻特性隨啟閉時間的變化規律及其啟閉過程的差異性；楊國強等對球閥內壁三維流場進行數值模擬仿真，探究了球閥開啟過程的內部流場變化；王朝富等對強制密封的球閥內部流動進行分析及結構優化；朱錦霞等模擬分析了球閥內流阻因數和流量系數隨球閥開度的變化關系；另外，趙瑩等對閥內流動狀況也進行了分析。以上研究對了解球閥內部復雜流動具有重要作用，但多數研究集中在單相流流動，很少涉及多相流在球閥內流動結構的分析。Jiang等研究了油水環狀流在彎管內流動，江帆等研究了對閥門開啟過程中閥門內變截面流道兩相流動狀況。雖然高黏度石油是非牛頓流體，但將之處理為牛頓流體也能得到合理的結果。通過對球閥內環狀流狀況進行數值模擬，探究開度變化對環狀流流型及其流動參數的影響，為后續油水環狀流在球閥開閉過程中的穩定性研究提供依據。
油水環狀流涉及兩種不相容不可壓縮的流體，故采用基于網格的流體體積函數（VolumeofFluid，VOF）進行模擬分析，各流體遵守質量守恒、動量守恒定律，湍流模型選擇標準k-ε模型，油水之間的相互作用采用連續表面力（ContinuumSurfaceForce，CSF）模型。 本文來自重慶普惠斯閥門
1.1 控制方程 copyright cqphs.com
連續性方程： 重慶普惠斯
（1） copyright cqphs.com
其中：
重慶普惠斯
式中：ρ表示流體密度，kg/m3；t表示時間，s；∇表示散度；
表示流體速度，m/s；αq為q相的體積分數；ρq為第q相的密度，kg/m3。 cqphs.com
動量守恒方程： 重慶普惠斯
（2）
內容來自cqphs.com
其中：
式中：p為靜態壓力，Pa；τ為指應力張量，Pa；g為重力加速度，m/s2；
為外部體積力，N；μ為流體黏度，Pa·s；μq為第q相的黏度，Pa·s；I為單位張量。
cqphs.com
CSF表面張力模型：
（3） 內容來自cqphs.com
其中：
式中：Fσ為油水界面張力，可作為外部體積力代入式（2），N/m；σow為油水界面張力系數；ρo為油相的密度，kg/m3；αo為油相的體積分數，%；ρw為水相的密度，kg/m3；αw為水相的體積分數；κ為界面曲率；n為相體積分數的散度。 內容來自cqphs.com
標準k-e湍流模型： cqphs.com
（4）
本文來自重慶普惠斯閥門
（5）
其中：
本文來自重慶普惠斯閥門
式中：k為湍動能，m2/s2；ε為耗散率，m2/s3；Gk為平均速度梯度引起的湍動能產生項，m2/s3；C1ε、C2ε、Cμ為常數，其值分別為1.44、1.92、0.09；σk為湍動能k湍流普朗特數，其值為1.0；σε為耗散率ε的湍流普朗特數，其值為1.3；xi為第i個坐標方向；xj為第j個坐標方向；μt為湍動黏度，Pa·s。
1.2 計算模型
球閥的流道直徑為20mm，閥前長度為100mm，閥后長度為200mm，根據球閥的結構創建球閥內部流動區域的幾何模型，整個模型由入口管道、閥芯及出口管道組成。球閥閥芯的開度從10%～80%，開度每增加10%建立一個幾何模型。使用ANSYSWorkbench中的Mesh模塊對模型進行網格劃分，由于模型大部分屬于規則的圓柱體，為了減少網格數量，加快求解速度，故網格采用六面體類型（圖1）。檢查網格最大扭曲度為0.71，最小正交質量為0.41，符合數值模擬計算要求。
重慶普惠斯
重慶普惠斯閥門
圖1 球閥流動區域的網格模型 內容來自cqphs.com
為了了解環狀流在管道系統閥門中的流動結構，考慮到計算難度，采用兩相牛頓流體形成環狀流，即由水形成外環、高黏度的油形成油核。物性參數：水的密度為998.2kg/m3，黏度為0.001003Pa·s；油的密度為960kg/m3，黏度為0.22Pa·s；水相與油相的表面張力為0.039N/m。設定邊界條件：入流速度為入口（表1），壓力為出口，其余均為壁面。開啟標準k-ε湍流模型，流動方程求解方法選擇SIMPLE算法，方程中各項的離散格式全部設置為二階迎風格式，雙精度求解。
表1 流體入流速度參數
本文來自重慶普惠斯閥門
cqphs.com
2.1 試驗
搭建了油水環狀流流經球閥的試驗平臺（圖2），對不同開度的幾何模型進行了數值模擬分析，并考慮了3種入流速度，對比油水兩相流量的試驗結果與模擬結果（圖3）�？梢钥闯觯耗M結果與試驗結果比較接近，而且趨勢一致，說明利用數值模擬方法能夠分析油水兩相流在球閥內的流動狀況。 本文來自重慶普惠斯閥門
重慶普惠斯
圖2 油水環狀流試驗平臺示意圖
本文來自重慶普惠斯閥門
重慶普惠斯閥門
圖3 不同閥門開度和入流速度下油水相流量的試驗結果與模擬結果對比圖
（圖例：紅色-模擬值，黑色-試驗值） cqphs.com
2.2 環狀流的流型演變 內容來自cqphs.com
設定流體入流速度為v1，分析不同閥門開度對環狀流流型的影響（圖4，紅色區域表示該區域全是油，藍色區域表示全是水，其他顏色表示油水混合）。當調節閥門開度較小時，由于閥芯前后端的過流面積較小，兩相流體加速流動，在閥內與閥后形成射流，產生漩渦，導致油水相互混合，環狀流被破壞，隨著閥門開度增加，油水環狀流逐漸恢復穩定。
copyright cqphs.com
cqphs.com
圖4 流體在入流速度v1不同閥門開度下的流型圖 本文來自重慶普惠斯閥門
設定閥門開度為30%，分析流體不同入流速度對環狀流流型的影響（圖6）。隨著流體入流速度的增加，閥后計算區域的油相分布較集中，有利于環狀流的穩定。 cqphs.com
重慶普惠斯閥門
圖5 流體在閥門開度30%不同入流速度下的流型圖
內容來自cqphs.com
2.3 油相體積分數的演變
本文來自重慶普惠斯閥門
設定流體入流速度為v1，在球閥油水環狀流模型水平方向截取4個截面（圖6），這4個截面分別為：截面I、截面II、截面III、截面IV，位置分別為：X=－60mm、X=－120mm、X=－180mm、X=－240mm。對這些截面的油相體積分數進行定量分析，得到不同開度下油相體積分數的變化（圖7）。因為管道初始狀態充滿水，油相所占體積分數很小，而隨著閥門的增大，油相體積分數增加明顯。由于漩渦的作用流出閥門出口的油相產生回流，造成截面I和截面II位置油相聚集較多，而在截面III和截面IV位置聚集較少；當閥門開度達到47%以后，漩渦逐漸開始減弱，4個截面的油相含量逐漸穩定，油相體積分數趨近于0.53。 重慶普惠斯
圖6 球閥油水環狀流模型截面位置示意圖 cqphs.com
重慶普惠斯
圖7 閥門開度對不同截面油相體積分數的影響
2.4 閥門前后兩端壓力差的演變
對閥門不同開度下閥門前后兩端（閥前與閥后各1倍閥芯直徑處）壓力差的變化進行分析（圖8），隨閥門開度的增大閥門前后兩端壓力差減小，當閥門開度較小時（小于30%），壓力差減小迅速，因為每增加10%的開度對應著流道面積成倍的增加。 本文來自重慶普惠斯閥門
cqphs.com
圖8 不同入流速度下閥門開度對閥門前后壓力差的影響 本文來自重慶普惠斯閥門
2.5 粘附距離的演變
油水環狀流中油相穿越水相而粘附在管道壁面上，造成油水環狀流被破壞，輸油阻力增加，因此研究粘壁現象成為考察油水環狀流穩定性的一種重要因素。定義油相粘附到壁面的位置為粘壁點，而距閥芯最近的粘壁點到閥芯中心的距離為粘壁距離，對粘壁現象進行分析（圖9）。粘壁距離在閥門開度為10%和20%時均為10mm，表明閥門小開度下，油相容易粘附到壁面，導致環狀流失穩。隨著閥門開度的增加粘壁距離逐漸加大，在閥門開度達到80%時，粘壁現象已經基本消失，只有偶爾的速度波動造成少量油相液滴粘附到壁面，而后又迅速被水沖刷掉。
內容來自cqphs.com
重慶普惠斯
圖9 閥門開度對粘壁距離的影響
基于VOF與CSF模型對油水環狀流流經球閥的狀況進行數值模擬，分析了閥門開度（流道截面）變化與入流速度對油水環狀流結構、油相體積分數、閥門兩端壓力差以及油相粘壁距離的影響，得到大開度、較高的入流速度能夠較好地維持油水環狀流的穩定。建立油水環狀流試驗平臺進行試驗驗證，所得試驗結果與模擬結果比較接近，且趨勢一致，為油水環狀流穩定運輸及入流參數的優化提供參考。
