機動管線在進行順序輸送或水頂油排空等操作時,一條管線中會同時存在多種流體。為保證油品質量,管線終端需將所輸介質分類接收,這依賴混油切割操作,而混油切割操作一般采用閥門實現。
球閥具有結構緊湊,密封性好,開閉迅速等特點,其所具有的等百分比流量特性,既有利于保持切割過程中介質流量、壓力的平穩變化,又便于實施切割作業,是一種較為理想的混油切割閥。三通球閥,一個切割操作動作,可控制兩條管路的開啟或關閉,簡化了工藝流程,同時還可避免操作錯誤,能夠有效地提升切割效率。三通球閥在轉動過程中,閥門內部2個出口通道的開度不斷變化,其中一個通道由關閉逐漸變化到全開,另一個通道則相反,液體在閥內部的流動較為復雜。本文利用FLUENT軟件對該流動過程進行了模擬,通過對比試驗數據,驗證了模型的準確性。
1 閥體結構與切割過程分析
圖1為三通球閥混油切割流程。當切割時機到來時,通過轉動三通球閥,能夠實現管線來油從流向油罐A向流向油罐B的快速切換。輸送單一液體時,亦可使用該閥切換液體流動方向或實現合流、分流等功能。
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/10/20141024131504029.png)
圖1 三通球閥混油切割流程
通過分析,選擇T型三通球閥作為切割球閥。當閥芯在初始位置時,閥門A、B通道連通,因結構所限,此時閥門只能逆時針旋轉。當轉動閥芯時,B通道的開度先變小后變大,最后又逐漸變小直至完全關閉,此時閥芯轉動180°,A、C通道連通,一次切割過程完成。閥芯的轉動過程如圖2所示。
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/10/20141024131512857.png)
圖2 閥門轉動過程示意圖
2 仿真模型的建立與問題求解
2.1 控制方程
在層流流態下,管道橫截面上流速不均,這種情況下的混油量極大,因此在順序輸送或水頂油排空時,油品應嚴格控制在湍流流態。FLUENT軟件提供的湍流模型有:Spal-art-Allmaras單方程湍流模型、k-epsilon雙方程模型、k-omega雙方程模型以及雷諾應力模型。目前,沒有一個湍流模型能夠對所有湍流運動給出滿意的預測結構,選擇合適的湍流模型需要考慮以下幾點:流體的物理現象、特殊問題的簡化、模擬精度的要求、可用的計算資源和模擬要求的時間長短等。根據本問題的實際情況,選擇k-epsilon雙方程模型,該方法具有較高的穩定性、經濟性,對各向異性較弱的高雷諾數湍流模擬精度高。在模型中,表示湍動能耗散率ε被定為
(1)
其中:μ是流體動力黏度;ui為時均速度。
湍流黏度μt可表示為湍動能k和湍動耗散率ε的函數,即
(2)
式中Cμ是經驗常數。
在標準k-epsilon模型中,k和ε2個量未知,與之對應的輸運方程為:
(3)
(4)
其中:Gk是平均速度梯度引起的湍動能k產生項;Gb是浮力引起的湍動能k產生項;YM表示湍流中的脈動擴張;C1ε、C2ε和C3ε是經驗常數;σk和σε對應湍動能k和耗散率ε的Prandtl數。
2.2 幾何模型和網格劃分
圖3為DN60的T型三通球閥與DN100管子組成的三通管道平面圖,閥門端口與管道采用法蘭連接,由于管徑不同,管道中存在突然擴大和突然縮小,具體尺寸如圖3所示。由于閥門的左右對稱性,選取閥門轉動過程中具有代表性的0°、30°、60°、90°4種狀態,能夠較完整地模擬出閥門旋轉180°管內液體流動變化的全過程。
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/10/20141024131606623.png)
圖3 三通管道平面圖
采用標準k-epsilon湍流模型和segregated隱式求解器。在gambit中建立圖4所示的模型,并在gambit中對網格進行了劃分。網格單元劃分的過細在FLUENT計算過程中會因為計算量太大,內存占用過多而出錯;網格劃分過于稀疏,模擬質量會受影響。為了靈活方便地數值模擬復雜外形的流動,選用非結構化網格對模型進行三角形劃分,間距設置為3.5。為提高模擬精度,在管徑突變和閥門內部對網格加密,局部間隔為1。經試驗本網格劃分方式可以達到精度的要求。
2.3 模型的求解
在FLUENT中對求解器進行設置,采用二維,穩態壓力式隱式求解方法。壓力式隱式求解主要用于低速不可壓縮流動的求解,它是按順序依次求解動量方程、壓力方程、修正方程、能量方程和組分方程及其他標量方程,如湍流方程等,該方法易于收斂且計算速度較快。設置流動介質為液態水,入口和出口的邊界類型分別為VelocityInlet和PressureOutlet,收斂條件為10-5。在閥門轉角是0°、30°、60°、90°4種狀態下,給定不同的入口速度和背壓,得到的仿真結果如圖4~圖7所示。
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/10/20141024131616185.png)
圖4 閥門轉角為0°時模擬結果
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/10/20141024131625748.png)
圖5 閥門轉角為30°時模擬結果
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/10/20141024131634560.png)
圖6 閥門轉角為60°時模擬結果
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/10/20141024131643670.png)
圖7 閥門轉角為90°時模擬結果
3 試驗驗證及結果分析
3.1 仿真結果與試驗數據對比
利用試制的三通球閥,配合現有的DN100槽頭式管線器材設備,構建了實驗平臺。在閥門三通端口處,安裝壓力變送器和流量計,試驗并記錄了相關數據。
在試驗中,測量點的選取至關重要。實際操作時,選擇的測壓點距離閥門3個端口約30cm。這樣選取,即避免了測壓點設置在閥門端口處,壓力變化頻繁、不易穩定造成的測量誤差,又能有代表性地反映整個流場的流動過程。在閥門出口的兩條支路安裝流量計,干路流量等于兩條支路流量之和。
表1、表2分別是轉角為30°、60°時,閥門3個端口壓力、流量的試驗數據與仿真結果對比情況。從對比情況可以看出,試驗與仿真數據兩者吻合程度較好。在低流量工況下,流量的試驗與模擬值誤差稍大,這是由于試驗時選用的渦街流量計有一定的啟動流量,低流量下測量誤差偏大引起的。
表1 閥門轉動30°時仿真與試驗對比
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/10/20141024131700435.png)
表2 閥門轉動60°時仿真與試驗對比
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/10/20141024131710216.png)
3.2 阻力系數分析
流動阻力,是所有水力系統的核心問題。阻力系數k是表征閥門流動阻力的無量綱常數,它取決于閥門產品的尺寸、構造、流道形狀等多個因素。對于每個節流元件它都有一個特性的值,閥體內的每個元件都可以看作一個產生阻力的元件系統,所以計算閥門的阻力系數時,可將閥門分成若干段,對于每一段分別求出一個分阻力系數ki,阻力系數k就是各分阻力系數之和,即
(5)
當已知壓力、流量等流動參數,忽略高差時,局部系數k為
(6)
對三通閥門的三路管道列伯努利方程,得
(7)其中:υ是流速;
;Q是干路流量,Q1、Q2是支路流量,即Q=Q1+Q2;p是干路壓力,p1、p2是支路壓力。
可將式(6)、式(7)聯立,可算得三通球閥局部系數k。
阻力系數衡量了一個閥門的流通能力,是考察閥門性能的最重要參數之一。對于本試驗球閥,總阻力系數包含開度阻力系數,突然擴大、縮小和繞流阻力系數,始端和末端阻力系數等,算法較為復雜,因而模擬情況與試驗計算2種條件下的閥門阻力系數的吻合性,可以衡量仿真模型的可信度。
通過比對球閥在轉角為30°、60°工況下仿真與試驗數據繪制的
圖,可以看出兩線段的斜率基本相等,阻力系數模擬吻合程度較高,如圖8、圖9所示。
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/10/20141024131831545.png)
圖8 閥門轉角30°阻力系數對比
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/10/20141024131842951.png)
圖9 閥門轉角60°阻力系數對比
3.3 湍流動能與壓力分布
湍流動能是湍流速度漲落方差與流體質量乘積的1/2,它隨時間的變化體現湍流動能的凈收支,是衡量湍流發展或衰退的指標。眾所周知,湍流的瞬時速度
也可看成是時間平均速度
與疊加脈動速度
的和。因此,平均速度場的動能不同于瞬時動能的平均值,而后者包含脈動動能的時間平均值
(8)
由于管壁的形狀和流體黏滯力等原因,當流出閥門進入直管段后,液體的湍流強度不斷降低,湍動能耗散,管中液體的脈動速度趨近于零,脈動動能轉化為分子運動的內能和壓能,這導致液體在直管段壓力隨流動反而升高。這種現象在高速度、復雜流道的工況下(圖10(a))尤為明顯,而在低流速時則可忽略(圖10(b))。
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/10/20141024131907310.png)
圖10 壓力云圖
4 結束語
在機動管線上進行水頂油排空或順序輸送時,終端混油切割操作直接影響著油品質量。與其他混油切割閥相比,球閥調節穩定、切換迅速。利用FLUENT模擬了三通球閥內部的流場變化,通過與試驗數據對比,驗證了仿真模型的可行性及仿真結果的可靠性,證明了三通球閥作為混油切割閥的可行性和適用性。該仿真模型,可為下一步優化閥門結構參數提供依據。