基于Fluent的水擊泄壓閥阻力系數研究

朱萬春 王炤東 林 珅 陳 鵬

(1.中石化管道儲運武漢輸油處；2.浙江工業大學機械工程學院)

閥門是管道系統中應用最廣泛的執行機構[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，阻力系數是一項重要參數[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 中的流體區域作為求解區域，利用Fluent 前處理軟件 Gambit采用局部細化網格法對該求解區域進行網格劃分。局部細化網格法顧名思義就是對整個區域劃分完網格以后，再對應力梯度變化大的區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。數值模擬時采用壓力基隱式穩態求解器，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，內部流場發生顯著變化，其主要表現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

閥門的阻力系數取決于閥門產品的尺寸、結構及內腔形狀等，根據流體力學理論可知，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；

ρ——介質密度。

得到閥門阻力系數公式為：

(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。

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，從而使阻力系數近乎保持不變，因此開啟壓力的改變對泄壓閥阻力系數幾乎沒有影響。

圖7 不同開啟壓力下泄壓閥阻力系數隨開度的影響

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，阻力系數減小緩慢。

4.2泄壓閥的阻力系數不僅與開度有關，還與泄壓閥管徑有關，但泄壓閥開啟壓力對閥阻力系數影響不大。

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