往復(fù)式油氣混輸泵組合閥流場數(shù)值模擬

張生昌，陳錫棟，鄧鴻英，柯愈龍

（浙江工業(yè)大學(xué)，杭州310014）①

近年來，油氣混輸技術(shù)迅速發(fā)展，已成為我國石油工業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，而往復(fù)式油氣混輸泵是油氣混輸增壓的一種關(guān)鍵設(shè)備［1－4］。進(jìn)出口閥是往復(fù)式油氣混輸泵最關(guān)鍵的元件，其工作特性將直接影響泵的性能和壽命。目前，國內(nèi)外對于往復(fù)泵閥的研究主要集中在輸送介質(zhì)為不可壓縮的液體，而且在不考慮介質(zhì)含氣量的情況下對閥內(nèi)流場進(jìn)行分析［5－8］，有關(guān)氣液兩相工況下往復(fù)泵閥流場的相關(guān)研究尚未見報(bào)導(dǎo)。

利用Fluent軟件對往復(fù)式油氣混輸泵組合閥流場進(jìn)行仿真研究，分析不同氣液比、不同最大開啟高度對組合閥工作特性的影響，總結(jié)出變化趨勢，對于往復(fù)式油氣混輸泵進(jìn)出口閥組的設(shè)計(jì)計(jì)算具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

1 建立建模

1.1 工作參數(shù)

對往復(fù)式油氣混輸泵組合閥進(jìn)行仿真計(jì)算時，相關(guān)的工作參數(shù)主要包括泵速、活塞行程及活塞直徑。其中：泵速n＝240r／min，行程S＝90mm，活塞直徑D＝150mm，從而可以求得三缸雙作用往復(fù)泵的實(shí)際流量［9］為

其中：

式中：A為活塞截面積，m2；Z為活塞數(shù)；ηV為容積效率；Dr為活塞桿直徑，m。

由于三缸雙作用往復(fù)式油氣混輸泵每一個缸都配有2個閥，因此通過每個組合閥的實(shí)際流量為m3／h。

1.2 組合閥結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

組合閥主要由閥芯、閥體及附屬的彈簧、螺栓、密封件等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該閥采用立式布置方式，閥體外圈為進(jìn)口，內(nèi)圈為出口。

圖1 組合閥總體結(jié)構(gòu)

組合閥內(nèi)部流道的三維幾何模型如圖2。計(jì)算區(qū)域的主要參數(shù)：入口的水力直徑為16mm；閥體內(nèi)圈8個孔流道的直徑為8mm；出口為8個孔，直徑為15mm；排出閥芯直徑為46mm，厚度為5mm。

圖2 組合閥內(nèi)部流道幾何模型

利用Gambit軟件對圖2的求解區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于組合閥內(nèi)流道的復(fù)雜性和孔流道、節(jié)流口對流場的影響，依照閥的幾何特征，對網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。綜合組合閥內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)，考慮到在閥口和流道拐角處壓力梯度較大，在這2處區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，而入口處的網(wǎng)格畫得較粗［10］，劃分網(wǎng)格后閥內(nèi)流場如圖3所示。

圖3 劃分網(wǎng)格后閥內(nèi)流道幾何結(jié)構(gòu)

1.3 解析條件

進(jìn)出口邊界條件分別設(shè)置為流量入口和壓力出口。其中：入口流量為16.7m3／h，出口壓力為2.0 MPa。在數(shù)值模擬時，采用壓力基、隱式、穩(wěn)態(tài)求解器。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的k－ε模型，多相流模型采用兩相的Mixture模型，兩相介質(zhì)為理想的油和天然氣，油為第1相，天然氣為第2相，壓力和速度的耦合則采用 SIMPLE 算法［11－12］。

2 仿真結(jié)果分析

為了研究最大開啟高度、介質(zhì)氣液比對組合閥工作特性的影響，將最大開啟高度、介質(zhì)氣液比作為變量。選擇最大開啟高度為3、4、5、6、7mm 5種工況；介質(zhì)氣液比β0為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，觀察最大開啟高度和介質(zhì)氣液比共同作用所帶來的影響。模擬時保持進(jìn)口流量和出口壓力不變，然后利用FLUENT軟件對組合閥的排出過程進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖4給出了介質(zhì)氣液比β0＝0.2、閥芯最大開啟高度變化時，閥內(nèi)流場的壓力分布情況。圖5給出了閥芯處于同一最大開啟高度3mm、介質(zhì)體積含氣率不同時，閥內(nèi)流場的壓力分布。受篇幅限制，只給出部分有代表性的仿真計(jì)算結(jié)果。

圖4 不同最大開啟高度下的壓力云圖

圖5 不同氣液比下的壓力云圖

由圖4～5可以看出，在進(jìn)口流量以及出口壓力一定的情況下：

1） 由于組合閥流道的復(fù)雜性，當(dāng)氣液兩相介質(zhì)流經(jīng)閥時，除了在閥隙處出現(xiàn)壓力值急劇下降的現(xiàn)象外，在介質(zhì)流入孔流道瞬間，由于過流面積發(fā)生突變，導(dǎo)致在該處也出現(xiàn)了較大的壓力變化。

2） 在介質(zhì)氣液比保持恒定時，隨著閥芯最大開度的增大，閥入口處的壓力開始逐漸減小，而出口壓力不變。因此組合閥進(jìn)出口壓力差不斷減小，說明最大開啟高度的增大會導(dǎo)致壓降減小。

3） 在閥芯最大開啟高度恒定時，隨著氣液兩相介質(zhì)氣液比的增大，閥芯底面的壓力不斷減小，同時閥進(jìn)出口壓差也呈現(xiàn)出減小的趨勢。

圖6為不同最大開啟高度下介質(zhì)氣液比與組合閥進(jìn)出口壓差關(guān)系曲線。

圖6 組合閥在不同開啟高度時氣液比與進(jìn)出口壓差關(guān)系曲線

3 流量系數(shù)

流量系數(shù)是泵閥設(shè)計(jì)計(jì)算最重要的特征參數(shù)之一，由于閥內(nèi)流動的復(fù)雜性，在閥口處壓力梯度大，反映宏觀流動特性的流量系數(shù)很難求取。因此在實(shí)際應(yīng)用中是通過檢測閥進(jìn)、出口處的壓力來計(jì)算流量系數(shù)。

對于組合閥流量系數(shù)的計(jì)算，首先通過模擬得到閥進(jìn)出口壓差，然后根據(jù)下式進(jìn)行求解［6］，即

式中：Cd為閥口流量系數(shù)；qV為閥的體積流量，m3／s；Δp 為閥進(jìn)出口壓差，Pa；ρ為介質(zhì)密度，kg／m3；A（h）為閥隙過流面積，m2。

組合閥的閥隙過流面積為

式中：d為排出閥芯直徑，m；h為閥芯最大開啟高度，m。

油氣兩相介質(zhì)的密度為［13］

式中：β0為介質(zhì)氣液比；ρg為天然氣密度，kg／m3；ρl為油液密度，kg／m3。

為確定不同最大開啟高度、不同介質(zhì)氣液比下的流量系數(shù)，將流量、密度和仿真計(jì)算得到的壓差代入式（2）進(jìn)行計(jì)算，得到流量系數(shù)與不同最大開度、不同氣液比的關(guān)系，曲線如圖7所示。

由圖7可知：在最大開啟高度一定時，隨著介質(zhì)氣液比的增大，流量系數(shù)基本保持不變，說明介質(zhì)氣液比對流量系數(shù)的影響很小；當(dāng)介質(zhì)氣液比一定時，隨著最大開啟高度的增大流量系數(shù)減小，說明最大開度對組合閥流量系數(shù)的影響較大。

圖7 組合閥在不同開啟高度時氣液比與流量系數(shù)關(guān)系曲線

4 結(jié)論

1） 當(dāng)介質(zhì)氣液比保持恒定時，隨著閥芯最大開度的增大，閥入口處的壓力減小，進(jìn)出口壓差減小；而當(dāng)閥芯最大開啟高度恒定時，隨著介質(zhì)氣液比的增大，閥芯底面的壓力減小，同時閥進(jìn)出口壓差也呈現(xiàn)出減小的趨勢。

2） 在最大開啟高度一定時，隨著介質(zhì)氣液比的增大，流量系數(shù)基本保持不變；當(dāng)介質(zhì)氣液比一定時，流量系數(shù)隨著最大開啟高度的增大而減小。

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