水擊泄壓閥內(nèi)部流場(chǎng)的cfd分析

水擊泄壓閥內(nèi)部流場(chǎng)的cfd分析

儀表是管道系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氮水泵廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)原油管道。其主要功能是：如果管道中發(fā)生原油水，管道傳輸壓超過(guò)管道的排放壓力（或設(shè)置固定壓力），以適應(yīng)地層條件的變化，確保傳輸過(guò)程的穩(wěn)定，保護(hù)管道和裝置，從而快速有效地將蒸汽和管道道的超高壓力從管道中釋放到管道中。原油通過(guò)出口裝置和出口裝置流入原油罐中，從而減少水和測(cè)量波的破裂，避免管道底板受到壓力的影響。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)。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模型的構(gòu)建1.1閥腔及彈簧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。1.2局部細(xì)化網(wǎng)格法閥流場(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。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。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。1.3湍流模型的耦合進(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。2泄壓閥的開(kāi)度過(guò)程為了研究開(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。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壓力結(jié)構(gòu)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: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);得到閥門(mén)阻力系數(shù)公式為: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、8.5MPa3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。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。4泄壓閥開(kāi)啟壓力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)