水擊泄壓閥內(nèi)部流場的cfd分析

水擊泄壓閥內(nèi)部流場的cfd分析

儀表是管道系統(tǒng)中應用最廣泛的執(zhí)行機構。氮水泵廣泛應用于長原油管道。其主要功能是：如果管道中發(fā)生原油水，管道傳輸壓超過管道的排放壓力（或設置固定壓力），以適應地層條件的變化，確保傳輸過程的穩(wěn)定，保護管道和裝置，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。原油通過出口裝置和出口裝置流入原油罐中，從而減少水和測量波的破裂，避免管道底板受到壓力的影響。對安裝泄壓閥的原油管道工程進行水擊防護措施研究時,阻力系數(shù)是一項重要參數(shù)。利用Fluent軟件對水擊泄壓閥內(nèi)部流場進行仿真研究,分析開度、開啟壓力和管徑對泄壓閥工作特性的影響,總結出變化趨勢,對輸油系統(tǒng)工程設計和水錘防護措施具有十分重要的理論意義和工程應用價值。1模型的構建1.1閥腔及彈簧水擊泄壓閥主要由導閥和主閥組成,主閥由閥體、閥塞、閥塞座、閥腔及彈簧等組成。泄壓閥內(nèi)的實際流動是三維的,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構和流動方面的對稱性與計算機容量,采用二維軸對稱幾何模型,簡化后如圖2所示。1.2局部細化網(wǎng)格法閥流場的網(wǎng)格模型是數(shù)值計算模型的幾何表達形式,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采用局部細化網(wǎng)格法對該求解區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。局部細化網(wǎng)格法顧名思義就是對整個區(qū)域劃分完網(wǎng)格以后,再對應力梯度變化大的區(qū)域進行網(wǎng)格細化加密。考慮到閥口與流道拐角處壓力梯度較大,對這兩處的網(wǎng)格進行細化,劃分網(wǎng)格后閥內(nèi)二維流場情況如圖3所示。1.3湍流模型的耦合進出口邊界條件分別設置為壓力入口和壓力出口。數(shù)值模擬時采用壓力基隱式穩(wěn)態(tài)求解器,湍流模型選擇標準的k-ε模型,介質為原油,壓力和速度的耦合則采用Simple算法。2泄壓閥的開度過程為了研究開度對泄壓閥內(nèi)部流場的作用,利用Fluent軟件對泄壓閥的排出過程進行仿真計算。圖4、5給出了管徑為DN100mm、開啟壓力為6.4MPa的泄壓閥,開度變化時閥內(nèi)流場的壓力和速度分布情況。由圖4、5可以看出,在進出口壓力一定的情況下:當介質流過閥隙時,高壓介質通過狹小的過流面積流向低壓區(qū)域,在此過程中,介質獲得了較大的流速,也產(chǎn)生了一定的阻力損失,使壓力值急劇下降,實現(xiàn)泄壓、消除水擊波的效果;隨著泄壓閥開度不斷增大,內(nèi)部流場發(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壓力結構閥門的阻力系數(shù)取決于閥門產(chǎn)品的尺寸、結構及內(nèi)腔形狀等,根據(jù)流體力學理論可知,閥門的阻力特征定義為:式中u———截面平均流速;Δp———閥門進出口壓差;ξ———閥門阻力系數(shù);得到閥門阻力系數(shù)公式為:將仿真計算得到的進出口壓差和截面平均流速代入式(2)即可計算出泄壓閥的阻力系數(shù)。為了研究泄壓閥管徑和開啟壓力對泄壓閥工作特性的影響,選擇管徑規(guī)格為DN75、DN100、DN150mm和開啟壓力分為5.9、6.4、8.5MPa3種工況,探究泄壓閥管徑和開啟壓力對泄壓閥阻力系數(shù)的影響。當泄壓閥開啟壓力為6.4MPa時,不同管徑(DN75、DN100、DN150mm)泄壓閥的阻力系數(shù)隨開度的變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出,當進口開啟壓力一定時,隨著泄壓閥開度的不斷增大,其阻力系數(shù)呈快速減小趨勢,然后趨于平緩;當泄壓閥開度小于40%時,隨著管徑的增大,其阻力系數(shù)增加顯著,開度大于40%后,則相差很小。對不同開啟壓力(5.9、6.4、8.5MPa)下的泄壓閥分別進行模擬,并將模擬結果進行對比分析。不同開啟壓力下泄壓閥的阻力系數(shù)隨開度的變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出,在不同開啟壓力下,泄壓閥阻力系數(shù)隨開度減小趨勢完全一致,且大小相差甚微。這是由于進出口壓差的增大使流速相應增大,從而使阻力系數(shù)近乎保持不變,因此開啟壓力的改變對泄壓閥阻力系數(shù)幾乎沒有影響。4泄壓閥開啟壓力4.2泄壓閥的阻力系數(shù)不僅與開度有關,還與泄壓閥管徑有關,但泄壓閥開