基于Fluent的水擊泄壓閥阻力系數(shù)研究

朱萬春 王炤東 林 珅 陳 鵬

(1.中石化管道儲運武漢輸油處；2.浙江工業(yè)大學機械工程學院)

閥門是管道系統(tǒng)中應用最廣泛的執(zhí)行機構[1]，氮氣式水擊泄壓閥廣泛應用于長原油管道，其主要功能是：當管內原油發(fā)生水擊，管輸壓力超過管道的泄放壓力(或設定值壓力)時，為了使輸油管道能適應水力工況的變化、保證輸油過程平穩(wěn)進行和保護管道和所屬設備[2]，能夠迅速、有效地泄放主管道的超高壓力，使原油通過泄放閥、泄放管道至泄放罐，從而減小水擊沖擊波，避免因輸油管線超壓而導致管線發(fā)生破裂[3，4]。

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)[5]。利用 Fluent 軟件對水擊泄壓閥內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 模型建立

1.1泄壓閥結構

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。泄壓閥內的實際流動是三維的，其內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。

圖1 泄壓閥內部流道幾何模型

圖2 簡化后的泄壓閥內部流道幾何模型

1.2網格劃分

閥流場的網格模型是數(shù)值計算模型的幾何表達形式，也是模擬與分析的載體[6]。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采用局部細化網格法對該求解區(qū)域進行網格劃分。局部細化網格法顧名思義就是對整個區(qū)域劃分完網格以后，再對應力梯度變化大的區(qū)域進行網格細化加密[7]。考慮到閥口與流道拐角處壓力梯度較大，對這兩處的網格進行細化，劃分網格后閥內二維流場情況如圖3所示。

圖3 泄壓閥二維模型的網格劃分

1.3邊界條件與解析條件

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[ 8，9]。

2 仿真結果分析

為了研究開度對泄壓閥內部流場的作用，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，開度變化時閥內流場的壓力和速度分布情況。

a. 開度10%

b. 開度40%

c. 開度80%

a. 開度10%

b. 開度40%

c. 開度80%

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，內部流場發(fā)生顯著變化，其主要表現(xiàn)在閥內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 閥門阻力系數(shù)

閥門的阻力系數(shù)取決于閥門產品的尺寸、結構及內腔形狀等，根據(jù)流體力學理論可知，閥門的阻力特征定義為[10]：

(1)

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)；

ρ——介質密度。

得到閥門阻力系數(shù)公式為：

(2)

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、8.5MPa 3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。

圖6 不同管徑下泄壓閥阻力系數(shù)隨開度的影響

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。

圖7 不同開啟壓力下泄壓閥阻力系數(shù)隨開度的影響

4 結論

4.1當閥門開度小于40%時，泄壓閥阻力系數(shù)隨閥門開度增大而迅速減小；當閥門開度大于40%時，隨閥門開度增大，阻力系數(shù)減小緩慢。

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，但泄壓閥開啟壓力對閥阻力系數(shù)影響不大。

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