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ρ_oil=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。

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    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小； 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    

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    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小； 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。