浙江中特气动阀门成套有限公司
不同含气率下球阀内部流动特性试验及其数值模拟

1 前言

随着社会经济高速发展,我国的油气供需矛盾日益突出,而油气勘探开发面临拓展勘探领域、稳定资源基础、提高采收率、提高油气产量的严峻挑战。多相流混输技术正在逐渐代替传统的石油运输技术,油气混输泵作为多相流混输技术的关键核心,其需求量在不断地增加。与传统的油气分离技术相比,其具有结构简单、操作方便、经济效益高、高效率等优点。而出口泵阀作为油气混输泵内的关键部件,其工作特性直接影响油气混输泵的性能及工作可靠性。因此,研究油气混输泵泵阀具有重大的经济意义和实用价值。

国内外多名研究者对各类泵阀做出了一系列相关的研究,如运用CFD数值模拟方法对泵阀阀芯开启高度、阀芯运动速度等进行仿真模拟;运用PIV等方法对泵阀内部流场进行可视化试验,分析其内部速度场,压力数值等;通过试验对泵阀的阻力系数、及阀芯受力特性等进行测试。但目前研究泵阀大多是在纯液相工况,对气液两相的研究甚少。故而,本文利用CFD软件对油气混输泵两相工况下球阀进行数值模拟,研究不同含气率对球阀内部流场的影响,同时通过试验对球阀的进出口压差特性进行研究,从而验证模拟的可靠性,为球阀的设计及优化做出指导。

2 几何模型和初始条件

2.1 流模型和多相流模型

球阀内部为旋转绕流流动,经计算可知气液各相的雷诺数均大于临界值,且受气液两相介质的混合扰动作用,所以对球阀流场进行模拟时应选择湍流模型。k-ε双方程模型应用较广,本文模拟计算的采用的湍流模型将采用标准k-ε双方程模型。在标准k-ε模型中,k和ε被看作是确定湍流尺度的基本物理量,该模型已经解决了许多工程湍流问题,结果令人满意,对具有分离流、回流的阀道湍流流动有较好的模拟效果。

在标准k-ε湍流模型中,湍动能k和湍动能耗散率ε的输运方程可描述为:

    (1)

    (2)

式中 ui———沿i方向的速度分量,i=1,2,3

μ———介质的运动粘性系数

μt———涡粘性系数

σk———湍动能k对应的Prandtl数

σε———湍动能耗散率ε对应的Prandtl数

P———湍动能生成项

    (3)

其中

一般情况下,k-ε模型中经验常数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。

本文分析含气率对球阀流场的影响,含气率的变化范围较大,且气相与液相的相互作用尚不明确,因此本文选择Mixture多相流模型。

2.2 几何模型建立和网格划分

单向阀的结构和基本尺寸如图1所示,将其按图所示的结构加工后进行试验,验证模拟的准确度。在数值模拟计算中,在保证不影响阀门关键区域的流动状态和整体流场分布的情况下,实际建模时对单向球阀流道进行简化,进而降低计算机处理计算的要求,大大节省计算工作时间,对流道的简化部分如下:由于与阀球相连的弹簧结构主要作用是提供弹簧作用力,对阀道流场的影响可以忽略,可将弹簧所占区域省去;另外,为了分析不同开启高度对单向球阀进出口压差的影响,因此取阀体进口上游至出口下游段区域作为仿真模型,计算模型的结构与试验单向球阀流体区域的结构保持一致,确保试验的准确度。

图1 试验单向球阀的结构

单向球阀开启过程中,随着阀球开启高度的变化,造成其接触面不断变化,并且流体计算域相对较大,为减少网格数并提高网格质量,本文对一半流道采取分区划分网格,阀进口及阀腔区域采用非结构化网格,阀出口到下游管道区域采用结构化网格。文章建立了不同阀球开度的球阀流道三维模型,并对其进行了数值模拟计算,图2为阀球开启高度为4mm时,球阀整体计算域划分网格示意。

图2 单向球阀1/2流道模型网格划分

模型单元格总数为270919,节点数为90000,对流场区域初始化后,进行迭代计算,收敛判据为模型各项参数的残差值小于10-4

3 模拟准确性验证

为检验模拟的准确性,搭设了一套试验平台对模拟值进行验证,试验装置流程如图3所示。

图3 试验装置流程示意

由于油、气介质的试验操作较不方便,且成本较高,故而用水和空气代替进行试验。试验装置的基本原理为:水箱中的水通过塑料软管进入到齿轮泵中,通过调节变频电机的频率来改变齿轮泵的出口流量等工况,齿轮泵将流体输送进入液路。与此同时,调节空气压缩机和管路系统出口处的调节阀,以控制进入气路上的空气流量,从而得到流场中不同的含气量。在气液两路上都安装有高精度的电磁流量计,确保进入气液两相球阀的流量值与预计值符合。

为提高气液两相的混合均匀度,在改进混合器结构时,一方面增大气液混合面积,另一方面减小气孔的覆盖面,从而减小射流孔的直径,并且适当加大孔间距以避免射流锥相交形成气囊。混合装置使气体沿液体管路壁面直接进入与液体混合,并综合考虑注气管在截面上的布置,有效地防止了射流锥交叉以及气囊的产生,使得液相和气相通过气液混合装置均匀进入到球阀内。在球阀的进出口处安装了压力表,其精度高达0.001MPa,用来读取不同工况下的进出口压力,进而得到球阀进出口压差值。压力表的安装标准符合自动化仪表安装工程质量检验评定标准,其带来的误差符合规定。

将模拟设置为与球阀试验相同流量Q,开启高度H及同一含气率β下,同时其流动介质为水和空气,得到的球阀进出口压差ΔP,模拟值与试验数据值对比如图4,5所示。从图可见,模拟值和试验值基本吻合,误差不超过15%,故而可认为模拟能较好的反映出球阀内部的真实情况,模拟的可信度较高。

图4 不同进口流量下球阀进出口压差的试验值与模拟值

图5 不同开启高度下球阀进出口压差的试验值与模拟值

4 球阀进出口压力差试验值分析

由上文可知,当球阀内部流动介质为水、空气时,模拟和试验吻合度较好。下面将流动介质变为油、气,模拟出油气混输泵泵阀内流动的真实流动状态,以期研究不同工况下球阀的运动特性。

4.1 含气率对球阀进出口压力差的影响

将阀球开启高度固定在3mm,阀球进口流量从5m3/h逐渐增加到9m3/h,研究含气率对进出口压力差的影响。不同进口流量时含气率与进出口压力差关系曲线如图6所示。

图6 含气率与进出口压力差的关系曲线

从图可见,当球阀进口流量为9m3/h时,随着含气率β从0增加到0.9,球阀进出口压力差从0.052MPa降低到0.005MPa,降低了大概94%,降低幅度非常明显。同样,在球阀进口流量为5m3/h时,纯液工况下球阀进出口压力差为0.016MPa,当含气率β变为0.2时,压力差骤降为0.013MPa,随着含气率的进一步增加,压力差一直不断地减小,直到降低为0.002,降低幅度约为85%。

观察5条曲线的共性可知,在相同的流量和开启高度下,随着含气率的增加,球阀进出口压力差较均匀地降低,且降低幅度比较明显,这是由于随着含气率的增加,气液两相流的混合密度降低,同体积下流动介质质量降低,从而导致动量降低,湍动能强度降低,从而导致进出口压力差降低。

4.2 含气率对球阀内流动特性的影响

在泵阀设计计算时,阀的流量系数是一个关键参数,在实际应用中,由于阀的种类、阀腔流道结构的不同,研究者往往通过检测阀进出口的压力来计算阀的流量系数。

单向球阀流量系数计算式:

    (5)

式中Cq———流量系数

qv———球阀阀口流量

Δp———球阀进出口压力差

A———球阀过流面积

ρ———介质密度

球阀的阀隙过流面积A为:

    (6)

其中

式中 dm———阀口的等效直径

x———阀球位移

R———阀球半径

气液两相介质的密度为:

    (7)

式中 β———介质含气率

ρg———气体密度

ρl———液体密度

当流量Q为10m3/h,含气率β分别为0,0.2,0.4,0.6,0.8,开启高度H分别为2,3,4,5,6mm的工况下,采集单向球阀进出口表面压力数据,并对其面积进行加权平均,获得球阀进出口表面平均压力差,再确定不同开启高度、介质含气率下的流量系数。将流量、密度代入式(5)进行计算,得到球阀的流量系数与介质含气率的关系曲线,如图7所示。

图7 含气率与流量系数的关系曲线

当开启高度为2mm时,随着阀球进口含气率β从0逐渐增加到0.2的过程中,其流量系数从0.502降低为0.501,降低幅度约为0.02%,而后随着含气率的进一步增加为0.8时,其值变为0.502。而当开启高度为3mm时,随着阀球进口含气率β从0逐渐增加到0.4的过程中,其流量系数从0.477降低为0.476,而后随着含气率的进一步增加,其值在0.477左右。

从流量系数变化曲线可以看出:在同一流量和开启高度下,含气率的变化导致球阀进出口压差变化,同时内部流体介质密度也发生变化,球阀流量系数变化不明显,说明介质含气率对单向球阀的流量系数影响较小。这是在流量Q为定值时,由于气体的密度远小于液体的密度,含气率的增加对气液两相流的密度影响不大,而在同一开启高度,使得球阀过流面积为定值,从而使得流量系数没有较大变化。

5 球阀内部两相流场分析

5.1 含气率对球阀内部两相流场的影响

图8是开启高度H为2mm、流量Q为8m3/h,含气率β分别为0.2,0.3,0.4,0.5的气相体积分数分布云图。

图8 H=2mm,Q=8m3/h时不同含气率下的气相体积分数分布云图

对比4种工况的云图可知,在球阀内部的阀球尾部A处气相分布较多,这是由于阀内尾流产生了旋涡,旋涡中含有大量气体,附着在A处。在阀内部B处出气相也较其邻域处气相较多,因为B位于阀球间隙处,该处不仅流道产生突变,且过流面积最小,气液两相流流经B处时,气相粘附在此处。而当流体流经C处时,由于该处为突扩界面处,此处产生了二次回流,有部分旋涡产生,旋涡中包裹大量气体,使得C处含气率增加。对比图4(a)~(d)还可看出,其也有不同之处,随着含气率β的增加,阀球尾部的气相分布逐渐增加,但增加幅度不大,内部流场也发生改变。

5.2 球阀内部流阻系数分析

流阻系数ζ计算式:

    (8)

式中 υ———介质在流道中的平均流速

在流量Q为10m3/h,含气率β分别为0,0.2,0.4,0.6,0.8,开启高度H分别为2,3,4,5,6mm工况下,分别采集在单向球阀内部流道的速度数据,并对其体积进行加权平均,获得介质在流道中的平均流速,再将进出口压力差、介质密度代入式(8)进行计算,得到球阀的流阻系数与开启高度、介质含气率的关系曲线,如图9所示。

图9 流阻系数与开启高度、含气率的关系曲线

从图可见,在含气率β为0时,随着阀球开启高度H从2mm逐渐增加到6mm的过程中,其流阻系数从22.8降低为3.9,降低幅度约为82.9%。在开启高度H为2mm时,含气率由0增加到0.2时,流阻系数由22.8变为22.7,含气率继续增加为0.4时,流阻系数变为22.8,直到含气率增加为0.8时流阻系数为22.7,流阻系数几乎没有变化。

由流阻系数变化曲线可以看出:当阀球进出口流量、介质含气率一定时,随着阀球开度的增大,球阀的流阻系数逐渐减小,并且减小的幅度在变小;当阀球进出口流量、开启高度一定时,随着含气率的增大,球阀的流阻系数几乎维持不变,说明介质含气率对单向球阀的流阻系数影响很小。初步分析可知,由于含气率的增加使得球阀进出口压差降低,同时流体介质的密度降低,速度也发生相应变化,三者叠加在一起使得流阻系数呈现逐渐减小的规律。

6 结论

(1)在相同的开启高度及进出口流量下,随着含气率的增加,由于气液两相流动量降低,湍动能强度下降,球阀进出口压力差较均匀的降低,且降低幅度比较明显。特别是进出口流量较高的情况下,压降变化更加明显。

(2)当阀球开启高度及进出口流量恒定时,随着含气率的增大,阀球底面的压力不断减小,阀门进出口压力差也呈现出减小的趋势,而两相介质的含气率的变化对阀内的速度场影响不大。此外,介质含气率的变化对阀流量系数及流阻系数影响很小。

(3)气液两相流流经阀球内部时,阀球尾部聚集了大量的气相,且在内部四周壁面的气相分布较少。在同一进出口流量和开启高度下,含气率对流场有一定的影响。

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