調節閥｜氣動調節閥|電動調節閥
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類別：球閥 | 作者：江帆 岳鵬飛 黎斯杰 | 發布日期：2018-08-09 11:00:12
球閥是石油管道運輸系統中的重要控制元件，其閥芯轉動過程會對其內部流動狀態產生影響，因此分析閥門不同開度下的內部流動結構對降低異常流動的危害有著重要意義。
國內外很多學者對閥門內的流動狀況進行了研究，如J.R.VALDES等采用CFD技術模擬了止回球閥內的空穴流動，并得到試驗驗證；A.POSA等使用侵入邊界法對換向液壓閥內流動進行直接數值模擬，分析了不同開度下流量系數和壓降等參數的變化。相對來說，國內對轉動球閥內的流動研究較多，如屈鐸等用CFD技術數值仿真了球閥閥腔內的流動狀況；劉華坪等利用動網格技術對閥門瞬態行為進行了數值模擬；王慧杰對球閥啟閉動態過程進行了數值模擬與試驗研究，分析了球閥啟閉動態過程對球閥性能曲線及內部流場的影響；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內部流場的變化；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；江帆等對不同物性流體在閥門內流動結構進行了研究。這些研究集中在單相流動，很少涉及多相流在球閥內部流動結構的分析。 內容來自cqphs.com
水環稠油管道輸送是一種低能耗的高黏度石油管道運輸方式，已經在世界各地建立了3條短距離的水環稠油輸送線，取得了較好的節能效果。其環狀流穩定性對石油輸運可靠性具有重要影響。筆者對油水環狀流在球閥內流動結構進行研究，以探究不同閥門開度下油水環狀流在其通過調節閥門后產生的復雜流動結構（漩渦與射流），及這些復雜流動結構的變化，以期為油水環狀流在復雜流動結構下的穩定性研究提供參數。 重慶普惠斯閥門
流體在球閥內部流動遵守質量守恒和動量守恒定律，湍流采用標準κ-ε湍流模型，具體如下。
連續性方程為： 內容來自cqphs.com
（1）
式中：Ñ表示散度；ρ表示流體密度，kg/m3；υ表示流體速度，m/s；t表示時間，s。 重慶普惠斯
動量守恒方程為： 重慶普惠斯
（2） 重慶普惠斯閥門
式中：p是靜態壓力，Pa；
是應力張量；
表示重力體積力，N；F→為外部體積力，N。 重慶普惠斯閥門
應力張量的計算式為：
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（3）
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式中：μ是流體黏度，Pa·s；I為單位張量。
標準κ-ε湍流模型為：
（4）
（5）
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式中：Gκ表示由于平均速度梯度引起的湍動能產生；Gb表示由于浮力影響引起的湍動能產生；YM表示可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；μt為湍流黏性系數；
C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，湍動能κ與耗散率ε的湍流普朗特數分別為σκ=1.0，σε=1.3。
上述方程主要針對單相流，對于油水兩相流，方程中的ρ和μ需按照如下CLSVOF模型給出。
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式中：αo為油相體積分數；αw為水相體積分數；ρo為油相密度，kg/m3；ρw為水相密度；μo為油相黏度；μw為水相黏度。
采用連續表面力（CSF）模型作為相界面的壓力躍變，即公式（2）中的外部體積力，表示為： cqphs.com
（9）
式中：σwo為界面張力，κ為界面曲率，定義如下：
（10）
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式中：n是表面法向，定義為相體積分數的梯度，可以寫為如下形式： cqphs.com
（11）
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對球閥內部結構進行簡化，利用SolidWorks軟件創建球閥的三維模型，流道的直徑為20mm，入口管道長度為100mm，出口管道長度為200mm，如圖1所示。根據球閥三維模型創建球閥內部流動區域的模型，如圖2所示。整個模型由入口管道、閥芯和出口管道組成。 重慶普惠斯閥門
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圖1 球閥簡化模型
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圖2 流動區域模型
對流動區域模型進行網格劃分，利用ICEMCFD將流動區域劃分為非結構網格，由于球閥閥芯是湍流的起點，在閥門由關閉到開啟的過程中一直保持較高的流速，紊流現象比較嚴重，需要對閥芯的網格進行加密處理，以提高閥芯處流場的模擬精度。定義全局網格參數為0.8，生成如圖3所示的六面體網格，網格數量為304215。 重慶普惠斯
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圖3 網格模型 重慶普惠斯
球閥開度分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%。為了了解環狀流在管道系統閥門中的流動結構，這里由水形成外環、高黏度的油形成油核，各流體的物性參數如表1所示。每種流體均對10%到100%的10個開度進行計算仿真。激活CLSVOF模型，設定邊界條件：入口為速度入口，分析采用的流體流速分別為v3，即油相實際入口速度1.20m/s，水相實際入口速度1.02m/s；v5，即油相實際入口速度2.06m/s，水相入口速度1.77m/s；v7，即油相實際入口速度2.78m/s，水相入口速度2.28m/s；出口采用壓力出口，其余均為壁面。由于雷諾數超過臨界值，流動區域產生湍流，采用標準κ-ε湍流模型。流動控制方程采用CFD軟件FLUENT16求解，求解方法為SIMPLE算法，各項的離散格式全部為二階迎風格式，雙精度求解。
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表1 各種流體的物性參數 重慶普惠斯
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3.1 漩渦結構的演變
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將計算結果導入TecPlot中，繪制管道截面上的流線圖，發現流線圖呈漩渦狀流動，漩渦的形成主要是因為從閥芯出口流出的流體速度較大，且速度方向與管道軸線方向存在一定角度，在高速流體的帶動下，出口管道中的流體隨之加快流動，管道內部流動開始朝向各個方向，由于流速的不均勻，造成管道內部形成較為明顯的漩渦流動。漩渦中心流速很低，接近于0，漩渦中心以外區域流速則很高，將流向出口的流體吸入漩渦中，通過使流體不斷回流而降低流體流速。漩渦的位置集中在管道中心區域附近，隨著開度的變化而移動，其范圍隨管道內部最高流速的變化而變化。 內容來自cqphs.com
如圖4和圖5所示分別為閥門開度10%和20%、流速v3工況下的閥后流場圖。由圖可知，出口管道靠近閥芯出口位置有一個面積較大的漩渦，漩渦中心為油相，中心處流速最小，基本處于停滯狀態，而隨著漩渦中心向外擴散的區域則油相和水相混合分布，油相以分散液滴的形式在漩渦區域不斷的凝聚，變成液團以后開始流向出口，在流向出口的過程中又進一步分散，最終以漂浮液滴的形式流出。對比圖4a和圖5a的漩渦位置發現，閥門開度由10%增加到20%后，漩渦中心向右下方移動，且面積有所減小，但流線更密，這說明漩渦強度有所增大。 cqphs.com
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圖4 閥門開度10%前、后流場圖 cqphs.com
從圖4a可看出，此時漩渦面積較大，混合強烈，這個平面的漩渦主要控制管道軸線方向的流動，故稱為軸向漩渦，它決定流體流向出口的速度大小及方向；在油水環狀流通過閥門后，在閥芯出口形成一段高速射流，在射流的帶動下，出口管道內流體的流速開始加快，由于閥芯出口處的高速射流方向與管道軸線方向有一定角度，射流在接觸到管道壁面以后開始向各個方向流動，造成出口管道靠近閥芯出口位置形成一個較大的漩渦，此時由于水相流速較油相快，不易被漩渦區域吸引，所以漩渦區域主要是油相以液滴的形式不斷在此匯聚，等速度衰減到一定程度后隨高速射流向出口位置流動。 copyright cqphs.com
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圖5 閥門開度20%前、后流場圖 cqphs.com
從圖4b可看出，在閥芯位置有2個互相對稱的漩渦，在流出閥芯出口的同時，也在出口管道里面形成了2個對稱的漩渦，這2個漩渦控制著管道內部Z軸方向（重力方向為Z軸負方向）上、下2部分流體的流動，也是使得油相和水相相互混合的主要原因，對環狀流產生破壞的主要是這一對對稱漩渦。
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閥門開度30%前、后流場如圖6所示。由圖6a可以發現，此時出口管道漩渦位置油相所占體積分數達到最大，也就是說此時的漩渦區域基本上全是油相。通過閥芯的流體速度快的以射流形式流向出口，速度較慢的就被漩渦區域吸引，進行回流，等速度衰減了以后再流向出口。由于漩渦中心區域的流速接近0，而漩渦外圍的流速則接近最高流速，出口管道內各個區域速度差較大，進而造成管道內部流動較為紊亂。
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圖6 閥門開度30%前、后流場圖 本文來自重慶普惠斯閥門
閥芯位置的對稱漩渦仍舊存在，但同開度20%時比較明顯減弱了，上部的漩渦已經開始解散，下部的漩渦依舊存在，但面積已經很小。
閥門開度40%和50%前、后流場分別如圖7和圖8所示。由圖7可以發現，閥門開度為40%時，閥芯內部的紊流有所改善，油相開始在出口管道聚集，逐漸形成連續相，油水環狀流開始形成，從流線圖上可以看出，閥芯出口附近的漩渦已經明顯減弱，只有少量的油相液滴懸浮在漩渦附近；此時閥門前、后流場趨向平穩，閥芯出口位置有少量油相以液滴的形態流出，這些油滴漂浮在管道中，隨著向出口管道的流動逐漸匯聚成團，出口管道的漩渦區域變得更加緊湊，面積減小，但漩渦區域附近流速有所增加，少量油滴被卷入漩渦區域，管道仍舊有部分油滴。 cqphs.com
圖7 閥門開度40%前、后流場圖
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圖8 閥門開度50%前、后流場圖 本文來自重慶普惠斯閥門
閥門開度為50%時，出口管道的漩渦基本消失，油相已經形成連續相，在閥芯出口位置被水包裹在中間。漩渦中心較閥門開度為40%時往上移動，漩渦區域明顯減小，油相在閥芯出口位置不再被吸引到漩渦區域，而是凝聚在一起流向出口管道，此時漩渦區域全部為水相。
閥門開度60%前、后流場如圖9所示。此時油水環狀流已經穩定形成，閥后回流區域已趨近于消失，油相流動平穩且連續，水相仍存在一定紊流。 重慶普惠斯閥門
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圖9 閥門開度60%前、后流場圖
當閥門開度為70%時，其閥門前、后流場如圖10所示。此時管道內部具有較好的流通性能，流動過程的壓力梯度及速度梯度都較小，閥后漩渦完全消失，閥芯位置的紊流也趨于穩定，閥門對油水環狀流的影響基本消失。
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圖10 閥門開度70%前、后流場圖 重慶普惠斯
在開度達到40%前滯留區域以油相為主，當閥門開度增大到40%以后，漩渦面積迅速減小，此時水相參與漩渦為主。 重慶普惠斯
通過對比不同速度下的模擬結果發現，對稱漩渦在流速較高且閥門開度較小時容易出現，當流速為v3時，閥門開度達到20%以后對稱漩渦就消失了；當流速為v7時，直到閥門開度達到40%，對稱漩渦才消失。而軸向漩渦則不同，當流體流速為v3時，直到閥門開度達到70%才消失；當流速為v7時，閥門開度達到50%時就已經消失了，這說明并不是速度越大漩渦越明顯。 copyright cqphs.com
對出口管道中漩渦中心的坐標進行定量分析，建立如圖11所示的坐標系，以球閥閥芯作為三維坐標系的原點，X軸正方向為流體流動方向，分別繪制漩渦中心X、Y、Z軸坐標的變化圖。 內容來自cqphs.com
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圖11 漩渦中心的坐標系
對模擬結果中出口管道靠近閥芯位置的漩渦坐標進行測量，選取前面幾種研究速度進行定量分析，繪制關于閥門開度和X、Y、Z軸坐標之間關系的線條圖，如圖12所示。 重慶普惠斯閥門
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圖12 閥門開度與漩渦中心坐標的關系 cqphs.com
圖12中，漩渦中心的Z軸坐標表示的是Y=0平面內對稱漩渦的坐標，由于漩渦關于Z=0對稱，故只記錄Z軸正方向的坐標，無坐標表示漩渦消失，X軸的坐標越大說明漩渦越遠離閥芯。分析可知，當閥門開度達到60%時，所有速度條件下都不會產生漩渦，這也說明閥門開度60%時，油水環狀流已經可以穩定通過閥門。對于不同速度下的線條圖變化趨勢一致，其中X軸坐標表示軸向漩渦的位置；Y軸坐標表示漩渦中心偏離管道中心的距離，一般來說漩渦中心越偏離管道中心，則說明漩渦面積越小，強度也越低；Z軸坐標表示的是對稱漩渦的位置。 重慶普惠斯閥門
前面分析過開度達到30%時流動狀態最為紊亂，在這里閥門開度30%時的紊亂主要表現為X軸坐標達到最大值，軸向漩渦面積最大；Z軸坐標達到最小，這表示對稱漩渦中的一對距離最短，此時對稱漩渦流動性最強。
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當開度達到40%時，對稱漩渦最微弱，管道內部流動趨于平穩，開始形成水包油的環狀流；當開度達到50%時，由于對稱漩渦完全消失，出口管道流線開始穩定，管道內部漩渦重整，此時X軸坐標增長并不代表漩渦面積增加，是因為漩渦過于微弱，造成漩渦中心開始向管道出口方向移動。不同速度對漩渦的影響主要體現在坐標值的大小，速度越大、漩渦越強烈，漩渦中心距離閥芯出口就越遠，但在閥門開度達到40%以后，速度的增加對管道內部漩渦的影響開始逐漸減小，因為此時流速過大，漩渦難以使其產生回流，而是隨著流體一同流動，造成漩渦提前消失。
3.2 射流結構分析
流體通過閥芯時，由于閥芯與管道之間流道面積急劇減小，使得流體流出閥芯出口時會以較高的速度噴射而出，這段噴射而出的高速流體被稱為射流。在這里記流體從最高流速衰減到出口管道的平均流速時的位置到閥芯中心的距離為射流距離，射出的流體速度方向與管道軸線的夾角為射流開角。閥門開度和射流距離的關系見圖13。由圖可知，隨著閥門開度的增大，射流距離減小，射流開角增大，且流速越高，射流距離越大，射流開角越小。在閥門開度達到40%以前，流速的增加對射流距離的影響比較明顯，當速度增加到一定程度后，射流距離不再明顯增加，如速度v5增加到速度v9時，射流距離的增加沒有從v3到v5那么明顯；當閥門開度達到40%以后，射流距離已經減小到一定程度，此時再增加速度并不能明顯增大射流距離，隨著閥門開度的繼續增大，射流距離開始緩慢減小，最終消失。 重慶普惠斯閥門
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圖13 閥門開度與射流距離的關系 本文來自重慶普惠斯閥門
