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關于CFD的球閥三維流場數值模擬
 

為了探索新型轉子式油氣混輸泵出口球閥內流場規律,建立球閥流場的三維模型,利用Fluent軟件,將標準k-ε湍流模型與多相流技術相結合,采用SIMPLE 算法,對新型轉子式油氣混輸泵出口球閥內的三維氣液兩相流場進行數值模擬。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流場的影響規律。模擬結果表明: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。
 
    球閥具有結構簡單、互換性強、裝拆方便、便于清洗等優點。為解決油田油氣混輸難題,將球閥與傳統外環流轉子泵結合,即在傳統外環流轉子泵出口增設了1組球閥,使其具有內壓縮功能,能更好地適應氣液兩相工況。目前,對于球閥的研究基本上是針對容積式往復泵球閥,主要建立球閥運動規律的數學模型,研究球閥的開啟特性等內容,且工況為純液態工況;對球閥閥口氣穴流場進行的數值模擬與試驗研究也局限于液體介質。 目前尚未見有關轉子式油氣混輸泵球閥運動規律的研究報道。因此,對新型轉子式油氣混輸泵出口球閥的研究就顯得很有必要。

    隨著計算機技術和計算流體力學的發展,應用CFD方法對流場進行分析已經成為泵閥領域的研究熱點。因此,實現新型轉子式油氣混輸泵出口球閥三維流場的數值模擬,對于球閥的設計及優化具有重要意義。

    1 球閥結構及網格劃分

    1.1 球閥結構

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

 

圖1 轉子式油氣混輸泵工作示意圖

    圖2為出口球閥結構示意圖。球閥由閥座和閥球組成,閥球開啟后,介質由閥座孔入口流入,通過閥隙進入泵的排液腔。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 出口球閥結構示意圖

    1.2 建模與網格劃分

    由于出口球閥尺寸相對整臺泵非常小,在整臺泵計算過程中,難以得到閥隙處的詳細流動情況。因此,為了更全面地了解閥隙周圍與閥內的壓力和速度分布,選取閥座與閥球間隙及閥球兩側部分作為研究對象,進行建模與分析。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算量,采取三維軸對稱模型,建立一半計算區域。利用Pro/E軟件建立開啟高度為3mm時球閥的計算區域模型。將物理模型導入Fluent前處理軟件Gambit中進行網格劃分。為了劃分質量較好的網格,對模型進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格,使模擬結果更準確。三維模型及網格如圖3所示。同理可得到開啟高度分別為5,7mm時的模型和網格。

 

圖3 開啟高度為3mm時的模型與網格

    2 模擬計算

    2.1 邊界條件

    介質為原油和天然氣兩相混合物,原油的物理參數設置為ρoil=856kg/m3,動力黏度ν=0.0072Pa·s,并假設原油不可壓縮;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,假設通過每個球閥的流量相等且忽略泄漏,則由連續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算得到入口雷諾數大于1.2×104,流動為湍流,湍流強度設為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,流動為穩態流動. 求解模型選擇兩相混合模型和標準k-ε湍流模型。壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。

    3 模擬結果與分析

    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由于壓差的作用回流,之后被閥隙的高速介質帶出。例如圖7a中的流線所示,部分介質從出口回流,但在閥隙附近流線方向突然改變,與從閥隙流出的介質一起沿著閥球壁附近流出。

    另外,當開啟高度為3mm時,含氣率分別為25% ,50% ,75% 對應的閥隙流速均為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,說明含氣率對介質的流動狀態有一定的影響。

    3.3 相態分布分析

    圖10為開啟高度為3mm時,不同含氣率的氣相體積分數分布云圖。

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

 

圖10 不同含氣率時氣相體積分數分布云圖    

    4 結論

    1) 在含氣率一定的條件下,隨著開啟高度的增大,閥球上下壓差逐漸減??; 在球閥的整個流場中,閥球底部壓力最大; 閥隙處壓力梯度大,閥座倒角下端處較容易產生氣蝕。

    2)在含氣率一定時,閥隙流速隨著開啟高度的增大不斷減小。 部分介質由于壓差的作用回流,之后被閥隙的高速介質帶出。同一開啟高度下,含氣率對閥隙速度的影響不大,但對流動狀態有一定的影響。

    3)新型轉子式油氣混輸泵在輸送氣液兩相介質時,氣相主要分布在閥球壁附近,遠離閥球氣相介質逐漸減少。

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