基于Fluent的水擊泄壓閥阻力系數(shù)研究

朱萬(wàn)春 王炤東 林 珅 陳 鵬

(1.中石化管道儲(chǔ)運(yùn)武漢輸油處；2.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

閥門(mén)是管道系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1]，氮?dú)馐剿畵粜箟洪y廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)原油管道，其主要功能是：當(dāng)管內(nèi)原油發(fā)生水擊，管輸壓力超過(guò)管道的泄放壓力(或設(shè)定值壓力)時(shí)，為了使輸油管道能適應(yīng)水力工況的變化、保證輸油過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行和保護(hù)管道和所屬設(shè)備[2]，能夠迅速、有效地泄放主管道的超高壓力，使原油通過(guò)泄放閥、泄放管道至泄放罐，從而減小水擊沖擊波，避免因輸油管線(xiàn)超壓而導(dǎo)致管線(xiàn)發(fā)生破裂[3，4]。

對(duì)安裝泄壓閥的原油管道工程進(jìn)行水擊防護(hù)措施研究時(shí)，阻力系數(shù)是一項(xiàng)重要參數(shù)[5]。利用 Fluent 軟件對(duì)水擊泄壓閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真研究，分析開(kāi)度、開(kāi)啟壓力和管徑對(duì)泄壓閥工作特性的影響，總結(jié)出變化趨勢(shì)，對(duì)輸油系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)和水錘防護(hù)措施具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 模型建立

1.1泄壓閥結(jié)構(gòu)

水擊泄壓閥主要由導(dǎo)閥和主閥組成，主閥由閥體、閥塞、閥塞座、閥腔及彈簧等組成。泄壓閥內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)是三維的，其內(nèi)部流道的幾何模型如圖 1 所示，但是考慮到泄壓閥在結(jié)構(gòu)和流動(dòng)方面的對(duì)稱(chēng)性與計(jì)算機(jī)容量，采用二維軸對(duì)稱(chēng)幾何模型，簡(jiǎn)化后如圖2所示。

圖1 泄壓閥內(nèi)部流道幾何模型

圖2 簡(jiǎn)化后的泄壓閥內(nèi)部流道幾何模型

1.2網(wǎng)格劃分

閥流場(chǎng)的網(wǎng)格模型是數(shù)值計(jì)算模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的載體[6]。將圖 2 中的流體區(qū)域作為求解區(qū)域，利用Fluent 前處理軟件 Gambit采用局部細(xì)化網(wǎng)格法對(duì)該求解區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。局部細(xì)化網(wǎng)格法顧名思義就是對(duì)整個(gè)區(qū)域劃分完網(wǎng)格以后，再對(duì)應(yīng)力梯度變化大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化加密[7]。考慮到閥口與流道拐角處壓力梯度較大，對(duì)這兩處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，劃分網(wǎng)格后閥內(nèi)二維流場(chǎng)情況如圖3所示。

圖3 泄壓閥二維模型的網(wǎng)格劃分

1.3邊界條件與解析條件

進(jìn)出口邊界條件分別設(shè)置為壓力入口和壓力出口。數(shù)值模擬時(shí)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，介質(zhì)為原油，壓力和速度的耦合則采用Simple算法[ 8，9]。

2 仿真結(jié)果分析

為了研究開(kāi)度對(duì)泄壓閥內(nèi)部流場(chǎng)的作用，利用Fluent軟件對(duì)泄壓閥的排出過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算。圖4、5給出了管徑為DN100mm、開(kāi)啟壓力為6.4MPa的泄壓閥，開(kāi)度變化時(shí)閥內(nèi)流場(chǎng)的壓力和速度分布情況。

a. 開(kāi)度10%

b. 開(kāi)度40%

c. 開(kāi)度80%

a. 開(kāi)度10%

b. 開(kāi)度40%

c. 開(kāi)度80%

由圖4 、5可以看出，在進(jìn)出口壓力一定的情況下：當(dāng)介質(zhì)流過(guò)閥隙時(shí)，高壓介質(zhì)通過(guò)狹小的過(guò)流面積流向低壓區(qū)域，在此過(guò)程中，介質(zhì)獲得了較大的流速，也產(chǎn)生了一定的阻力損失，使壓力值急劇下降，實(shí)現(xiàn)泄壓、消除水擊波的效果；隨著泄壓閥開(kāi)度不斷增大，內(nèi)部流場(chǎng)發(fā)生顯著變化，其主要表現(xiàn)在閥內(nèi)壓力峰值和閥隙最大流速都有一定的增大，且入口和出口速度明顯增加。

3 閥門(mén)阻力系數(shù)

閥門(mén)的阻力系數(shù)取決于閥門(mén)產(chǎn)品的尺寸、結(jié)構(gòu)及內(nèi)腔形狀等，根據(jù)流體力學(xué)理論可知，閥門(mén)的阻力特征定義為[10]：

(1)

式中u——截面平均流速；

Δp——閥門(mén)進(jìn)出口壓差；

ξ——閥門(mén)阻力系數(shù)；

ρ——介質(zhì)密度。

得到閥門(mén)阻力系數(shù)公式為：

(2)

將仿真計(jì)算得到的進(jìn)出口壓差和截面平均流速代入式(2)即可計(jì)算出泄壓閥的阻力系數(shù)。

為了研究泄壓閥管徑和開(kāi)啟壓力對(duì)泄壓閥工作特性的影響，選擇管徑規(guī)格為DN75、DN100、DN150mm和開(kāi)啟壓力分為5.9、6.4、8.5MPa 3種工況，探究泄壓閥管徑和開(kāi)啟壓力對(duì)泄壓閥阻力系數(shù)的影響。

當(dāng)泄壓閥開(kāi)啟壓力為6.4MPa時(shí)，不同管徑(DN75、DN100、DN150mm)泄壓閥的阻力系數(shù)隨開(kāi)度的變化曲線(xiàn)如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)進(jìn)口開(kāi)啟壓力一定時(shí)，隨著泄壓閥開(kāi)度的不斷增大，其阻力系數(shù)呈快速減小趨勢(shì)，然后趨于平緩；當(dāng)泄壓閥開(kāi)度小于40%時(shí)，隨著管徑的增大，其阻力系數(shù)增加顯著，開(kāi)度大于40%后，則相差很小。

圖6 不同管徑下泄壓閥阻力系數(shù)隨開(kāi)度的影響

對(duì)不同開(kāi)啟壓力(5.9、6.4、8.5MPa)下的泄壓閥分別進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。不同開(kāi)啟壓力下泄壓閥的阻力系數(shù)隨開(kāi)度的變化曲線(xiàn)如圖7所示。由圖7可以看出，在不同開(kāi)啟壓力下，泄壓閥阻力系數(shù)隨開(kāi)度減小趨勢(shì)完全一致，且大小相差甚微。這是由于進(jìn)出口壓差的增大使流速相應(yīng)增大，從而使阻力系數(shù)近乎保持不變，因此開(kāi)啟壓力的改變對(duì)泄壓閥阻力系數(shù)幾乎沒(méi)有影響。

圖7 不同開(kāi)啟壓力下泄壓閥阻力系數(shù)隨開(kāi)度的影響

4 結(jié)論

4.1當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度小于40%時(shí)，泄壓閥阻力系數(shù)隨閥門(mén)開(kāi)度增大而迅速減??；當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度大于40%時(shí)，隨閥門(mén)開(kāi)度增大，阻力系數(shù)減小緩慢。

4.2泄壓閥的阻力系數(shù)不僅與開(kāi)度有關(guān)，還與泄壓閥管徑有關(guān)，但泄壓閥開(kāi)啟壓力對(duì)閥阻力系數(shù)影響不大。

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