張　圓，周　海，黃建軍，龔　凱

(1.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)①

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基于FLUENT的錐形節(jié)流閥數(shù)值模擬和氣穴分析

張圓1，2，周海1，黃建軍1，龔凱1，2

(1.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)①

摘要：針對錐形節(jié)流閥氣化、氣蝕嚴重的問題，利用FLUENT軟件，對錐形節(jié)流閥進行氣液兩相流的數(shù)值模擬，得出內(nèi)部流場的速度、流線、壓力及壓降隨閥桿行程的變化關(guān)系；基于Cavitation模型，對節(jié)流閥進行氣液兩相的氣穴分析。結(jié)果表明：在閥芯和閥座位置容易出現(xiàn)氣穴，并有輕微的渦流現(xiàn)象；隨著節(jié)流閥開度的增大，氣穴現(xiàn)象逐漸減小；開度≥50%之后，無氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生。分析結(jié)果為錐形節(jié)流閥的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：錐形節(jié)流閥；數(shù)值模擬；FLUENT；氣穴分析

錐形節(jié)流閥是油氣開采節(jié)流壓井的關(guān)鍵設(shè)備，通過節(jié)流閥可方便控制流量與壓力，應用廣泛[1]。錐形節(jié)流閥結(jié)構(gòu)雖然簡單，但內(nèi)部流場復雜，油液經(jīng)過閥口位置時速度重新分布，并且容易產(chǎn)生漩渦，出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象；氣泡分離出來后，周圍高壓壓縮氣泡，迅速破裂，并凝結(jié)成液體，局部產(chǎn)生高溫和高壓；巨大沖擊力敲落或崩掉閥座和閥芯的金屬表面，影響閥門的工作。許慧[2]對閥芯固定和閥芯運動的2種狀態(tài)下的液壓錐閥流場進行數(shù)值模擬，研究得出流場中的最低壓力會隨著開口度的增大明顯升高，并且過小的最低壓力會造成氣穴現(xiàn)象；譚劍波[3]通過二維軸對稱模型對液壓錐閥流場進行數(shù)值計算，得到了流場的速度、流線、壓力及氣體體積分布；張應遷[4]等通過對閘閥內(nèi)部流場模擬表明容易在閥體內(nèi)壁面和閥座位置出現(xiàn)氣穴及強度不等的漩渦；陸亮[5]通過仿真和試驗研究了液壓節(jié)流閥中的空化流動與噪聲，為液壓降噪提供了理論依據(jù)。

本文對宏泰石化機械有限公司生產(chǎn)的一種錐形節(jié)流閥內(nèi)部流場建立三維模型，應用FLUENT軟件，利用Cavitation模型和氣液兩相流模型對節(jié)流閥內(nèi)流道進行數(shù)值模擬，得到各開度下內(nèi)流場的速度、流線、壓力及氣穴產(chǎn)生后的氣體體積比分布等，分析氣穴產(chǎn)生的位置。

1氣穴模型理論分析

錐形閥氣穴模型是典型的氣-液兩相流。當局部壓力低于氣化壓力時，液相向氣相轉(zhuǎn)移；當壓力高于氣化壓力時，氣泡破裂，重新從氣相變?yōu)橐合?；兩相相互滲透，質(zhì)量相互轉(zhuǎn)移。假設(shè)相與相之間無滑動，氣穴模型包含混合物的動量方程和氣相體積比方程[6]。

氣相的體積比方程由質(zhì)量方程推導而來，為

(1)

液相的體積比αl為

αl=1-αg

(2)

氣液兩相的平均密度為

ρ=αgρg+αlρl

(3)

不考慮氣化產(chǎn)生的熱量，將氣穴做等溫處理，氣泡內(nèi)壓力維持不變，氣泡半徑變化近似為一個簡化的雷諾方程。

(4)

式中：ρv為氣化壓力；p為液相壓力。

氣體總質(zhì)量為

(5)

式中：n為單位體積的氣泡數(shù)。

氣體產(chǎn)生的速率為

(6)

結(jié)合式(5)～(6)，得到氣穴引起的氣液兩相間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移為

(7)

式中：R為氣泡半徑。

(8)

2模型建立及網(wǎng)格劃分

JLK65-35-00型手動錐形節(jié)流閥如圖1。流體通過閥體的通道進入節(jié)流口，經(jīng)閥芯和閥座之間的通道流出；閥芯在閥桿的帶動下上下移動，從而調(diào)節(jié)閥芯的開度。

1—閥體；2—閥座；3—閥芯；4—閥芯壓帽；

根據(jù)實際結(jié)構(gòu)用UG NX 7.5建立流體域的模型，并對模型倒角及圓柱小臺階進行簡化，如圖2所示。采用ICEM CFD 14.0進行網(wǎng)格劃分，并對邊界層進行加密處理，模型網(wǎng)格如圖3所示。

圖2　流體域模型(半剖視圖)

圖3　流體域模型網(wǎng)格劃分

3數(shù)值模擬和氣穴分析

導入至FLUENT軟件，采用標準Realizablek-ε湍流方程、多相流Cavitation模型和氣液兩相流模型對節(jié)流閥內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，得出其內(nèi)部的速度、流線、壓力及壓降特性；模擬氣穴現(xiàn)象，定量地給出氣穴產(chǎn)生時的氣體體積比。

3.1邊界條件

速度入口：設(shè)定節(jié)流閥入口流量為20 L/s，入口速度為6 m/s。壓力出口：設(shè)定出口背壓為0.1 MPa。固定壁面：無滑移，采用標準壁面函數(shù)條件。

主相為油液，其密度為1 080 kg，動力黏度為0.02 Pa·s[7]；次相為蒸汽，密度為1.225 kg/m3，動力黏度為1.26×10-6Pa·s。主相與次相的轉(zhuǎn)化滿足Cavitation模型，氣泡分離的臨界壓力為1 000 Pa。

3.2模擬結(jié)果及分析

模擬節(jié)流閥開度從10%～90%，每間隔5%的開度下其內(nèi)部流場情況。圖4～5分別為節(jié)流閥開度為20%時的內(nèi)部流場圖和速度矢量圖。由圖4～5可知，在節(jié)流閥入口處流動穩(wěn)定，在節(jié)流口處隨著閥芯錐面逐漸改變方向，并且速度突然變大，最大速度為75.9 m/s。由于在油氣開采時有各種顆粒物質(zhì)，這些顆粒物質(zhì)在高速運動下對閥芯產(chǎn)生切削作用，容易導致閥芯失效。節(jié)流口到出口位置有輕微的渦流現(xiàn)象，其大約旋轉(zhuǎn)1周。

圖4　開度20%時內(nèi)流場流線分布

圖5　開度為20%時內(nèi)流場速度矢量

流體通過閥門時，其流體阻力損失以閥門前后的壓降表示。對17個開度下流場的數(shù)值模擬，通過CFD計算器計算出節(jié)流閥入口和出口的平均總壓，則節(jié)流閥的壓降為入口總壓減去出口總壓。得出各個開度下節(jié)流閥的壓降值，如圖6所示。由圖可知，節(jié)流閥的壓降調(diào)節(jié)呈非線性。在開度較小范圍內(nèi)(<30%)壓降較急；在較大范圍內(nèi)，壓降平穩(wěn)。通過計算，其線性相關(guān)系數(shù)為0.673。

圖6　節(jié)流閥的壓降特性

圖7分別為開度20%、30%、40%時Cavitation模型的壓力云圖，在入口和出口附近壓力均勻，節(jié)流口附近壓力呈梯度變化，壓力急劇變小，隨后再逐漸變大；節(jié)流口處的流道面積小，會產(chǎn)生低壓，在閥芯和閥座之間及閥芯底部流體的壓力值低于氣泡分離臨界值，容易發(fā)生氣穴現(xiàn)象。圖8分別為開度20%、30%、40%時Cavitation模型的氣體體積數(shù)云圖，主要在閥芯和閥座之間及閥芯底部，容易在閥座壁面附近產(chǎn)生氣體；隨著閥門開度的增加，產(chǎn)生的氣體體積數(shù)逐漸減小。

a　開度為20%

b　開度為30%

c　開度為40%

a　開度為20%

b　開度為30%

c　開度為40%

油液在錐形節(jié)流閥各開度下的含氣量變化如圖9所示。含氣量為[8]

φ=Vv/Vl

式中：Vv是氣體體積，Vl是液體體積。

由圖9可知，隨著節(jié)流閥開度變化，含氣量呈遞減趨勢；開度為50%時，含氣量為0，表明此時節(jié)流閥流道內(nèi)部壓力大于氣泡分離臨界壓力，無液體轉(zhuǎn)化為氣體的現(xiàn)象。在錐形節(jié)流閥的使用過程中，盡量使用較大開度調(diào)節(jié)，避免小開度時發(fā)生氣穴、氣蝕現(xiàn)象，該結(jié)果對于錐形節(jié)流閥在工程實際應用中有一定的實用價值。

圖9　含氣量變化曲線

4結(jié)論

1)通過對錐形節(jié)流閥內(nèi)部流場的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在小開度情況下，從節(jié)流口到出口位置會有輕微的渦流現(xiàn)象；節(jié)流閥的壓降和行程呈非線性關(guān)系，使用過程中盡量使用大開度范圍調(diào)節(jié)，避免壓力變化過大。

2)通過氣液兩相流對節(jié)流閥氣穴分析，發(fā)現(xiàn)在閥芯和閥座間的部位，氣體體積分數(shù)高，容易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。閥門使用時間過長，閥座和閥芯會受到流體的化學腐蝕和出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象，可以在閥芯外部和閥座內(nèi)部區(qū)域進行堆焊，并且盡量使用大開度范圍調(diào)節(jié)。

3)采用FLUENT軟件能夠快速地了解錐形節(jié)流閥內(nèi)部流場的規(guī)律及特點，為節(jié)流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

參考文獻：

[1]魏存祥，滕龍，王勇剛，等.固定節(jié)流閥流場數(shù)值模擬研究[J].石油礦場機械，2008，37(5)：47-49.

[2]許慧.內(nèi)流工況液壓錐閥內(nèi)部流場的三維可視化模擬與仿真[D].太原：太原理工大學，2007.

[3]譚劍波.液壓錐閥氣穴分析與流場參數(shù)化仿真[D].成都：西南交通大學，2014.

[4]張應遷，柳忠彬，唐克倫，等.基于FLUENT的閥門氣穴模擬[J].礦山機械，2012，40(11)：93-96.

[5]陸亮.液壓節(jié)流閥中的空化流動與噪聲[D].杭州：浙江大學，2012.

[6]劉銀水，楊友勝，朱玉泉，等.以水為介質(zhì)阻尼孔氣穴流動理論和試驗研究[J].機械工程學報，2007，43(2)：147-150.

[7]張曉東，李俊華.基于Fluent的錐形節(jié)流閥流場數(shù)值模擬[J].石油礦場機械，2009，38(9)：50-52.

[8]汪健生，劉志毅.管道節(jié)流過程中氣蝕的數(shù)值模擬[J].機械工程學報，2008，44(12)：100-104.

Numerical Simulation and Cavitation Analysis of Taper ThrottlingValve based on FLUENT

ZHANG Yuan1，2，ZHOU Hai1，HUANG Jianjun1，GONG Kai1，2

(1.YanchengInstituteofTechnology，Yancheng224051，China；2.JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China)

Abstract：In view of the characteristic of severe Cavitation in the taper throttling value，the flow field was numerical simulated of gas-liquid phase flow by FLUENT software.The speed，streamline，pressure and the relationship of the pressure drop and the stroke change of the value stem were promulgated.Then，it was simulated of gas-liquid two phase flow based on Cavitation model.The results showed that the Cavitation and turbulence appeared between the value core and the seat.The Cavitation decreased with the increase of the taper throttling value opening.While the opening size arrive to 50% and later，the Cavitation phenomenon disappeared.The results of the analysis provided the basis for the design and optimization of taper throttling value.

Keywords：taper throttling valve；numerical simulation；FLUENT；cavitation analysis

中圖分類號：TE931.1

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.013

作者簡介：張圓(1990-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向為CAD/CAM。

收稿日期：①2015-09-29 國家自然科學基金(51405420)；江蘇省產(chǎn)學研前瞻性創(chuàng)新資金項目(BY2014108-04)；江蘇省“六大人才高峰”項目(2013-ZBZZ-026)

文章編號：1001-3482(2016)03-0058-04