基于FLUENT的錐形節流閥數值模擬和氣穴分析

張　圓，周　海，黃建軍，龔　凱

(1.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇大學，江蘇 鎮江 212013)①

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基于FLUENT的錐形節流閥數值模擬和氣穴分析

張圓1，2，周海1，黃建軍1，龔凱1，2

(1.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇大學，江蘇 鎮江 212013)①

摘要：針對錐形節流閥氣化、氣蝕嚴重的問題，利用FLUENT軟件，對錐形節流閥進行氣液兩相流的數值模擬，得出內部流場的速度、流線、壓力及壓降隨閥桿行程的變化關系；基于Cavitation模型，對節流閥進行氣液兩相的氣穴分析。結果表明：在閥芯和閥座位置容易出現氣穴，并有輕微的渦流現象；隨著節流閥開度的增大，氣穴現象逐漸減小；開度≥50%之后，無氣穴現象產生。分析結果為錐形節流閥的設計和結構優化提供了一定的理論依據。

關鍵詞：錐形節流閥；數值模擬；FLUENT；氣穴分析

錐形節流閥是油氣開采節流壓井的關鍵設備，通過節流閥可方便控制流量與壓力，應用廣泛[1]。錐形節流閥結構雖然簡單，但內部流場復雜，油液經過閥口位置時速度重新分布，并且容易產生漩渦，出現氣穴現象；氣泡分離出來后，周圍高壓壓縮氣泡，迅速破裂，并凝結成液體，局部產生高溫和高壓；巨大沖擊力敲落或崩掉閥座和閥芯的金屬表面，影響閥門的工作。許慧[2]對閥芯固定和閥芯運動的2種狀態下的液壓錐閥流場進行數值模擬，研究得出流場中的最低壓力會隨著開口度的增大明顯升高，并且過小的最低壓力會造成氣穴現象；譚劍波[3]通過二維軸對稱模型對液壓錐閥流場進行數值計算，得到了流場的速度、流線、壓力及氣體體積分布；張應遷[4]等通過對閘閥內部流場模擬表明容易在閥體內壁面和閥座位置出現氣穴及強度不等的漩渦；陸亮[5]通過仿真和試驗研究了液壓節流閥中的空化流動與噪聲，為液壓降噪提供了理論依據。

本文對宏泰石化機械有限公司生產的一種錐形節流閥內部流場建立三維模型，應用FLUENT軟件，利用Cavitation模型和氣液兩相流模型對節流閥內流道進行數值模擬，得到各開度下內流場的速度、流線、壓力及氣穴產生后的氣體體積比分布等，分析氣穴產生的位置。

1氣穴模型理論分析

錐形閥氣穴模型是典型的氣-液兩相流。當局部壓力低于氣化壓力時，液相向氣相轉移；當壓力高于氣化壓力時，氣泡破裂，重新從氣相變為液相；兩相相互滲透，質量相互轉移。假設相與相之間無滑動，氣穴模型包含混合物的動量方程和氣相體積比方程[6]。

氣相的體積比方程由質量方程推導而來，為

(1)

液相的體積比αl為

αl=1-αg

(2)

氣液兩相的平均密度為

ρ=αgρg+αlρl

(3)

不考慮氣化產生的熱量，將氣穴做等溫處理，氣泡內壓力維持不變，氣泡半徑變化近似為一個簡化的雷諾方程。

(4)

式中：ρv為氣化壓力；p為液相壓力。

氣體總質量為

(5)

式中：n為單位體積的氣泡數。

氣體產生的速率為

(6)

結合式(5)～(6)，得到氣穴引起的氣液兩相間的質量轉移為

(7)

式中：R為氣泡半徑。

(8)

2模型建立及網格劃分

JLK65-35-00型手動錐形節流閥如圖1。流體通過閥體的通道進入節流口，經閥芯和閥座之間的通道流出；閥芯在閥桿的帶動下上下移動，從而調節閥芯的開度。

1—閥體；2—閥座；3—閥芯；4—閥芯壓帽；

根據實際結構用UG NX 7.5建立流體域的模型，并對模型倒角及圓柱小臺階進行簡化，如圖2所示。采用ICEM CFD 14.0進行網格劃分，并對邊界層進行加密處理，模型網格如圖3所示。

圖2　流體域模型(半剖視圖)

圖3　流體域模型網格劃分

3數值模擬和氣穴分析

導入至FLUENT軟件，采用標準Realizablek-ε湍流方程、多相流Cavitation模型和氣液兩相流模型對節流閥內部流場進行數值模擬，得出其內部的速度、流線、壓力及壓降特性；模擬氣穴現象，定量地給出氣穴產生時的氣體體積比。

3.1邊界條件

速度入口：設定節流閥入口流量為20 L/s，入口速度為6 m/s。壓力出口：設定出口背壓為0.1 MPa。固定壁面：無滑移，采用標準壁面函數條件。

主相為油液，其密度為1 080 kg，動力黏度為0.02 Pa·s[7]；次相為蒸汽，密度為1.225 kg/m3，動力黏度為1.26×10-6Pa·s。主相與次相的轉化滿足Cavitation模型，氣泡分離的臨界壓力為1 000 Pa。

3.2模擬結果及分析

模擬節流閥開度從10%～90%，每間隔5%的開度下其內部流場情況。圖4～5分別為節流閥開度為20%時的內部流場圖和速度矢量圖。由圖4～5可知，在節流閥入口處流動穩定，在節流口處隨著閥芯錐面逐漸改變方向，并且速度突然變大，最大速度為75.9 m/s。由于在油氣開采時有各種顆粒物質，這些顆粒物質在高速運動下對閥芯產生切削作用，容易導致閥芯失效。節流口到出口位置有輕微的渦流現象，其大約旋轉1周。

圖4　開度20%時內流場流線分布

圖5　開度為20%時內流場速度矢量

流體通過閥門時，其流體阻力損失以閥門前后的壓降表示。對17個開度下流場的數值模擬，通過CFD計算器計算出節流閥入口和出口的平均總壓，則節流閥的壓降為入口總壓減去出口總壓。得出各個開度下節流閥的壓降值，如圖6所示。由圖可知，節流閥的壓降調節呈非線性。在開度較小范圍內(<30%)壓降較急；在較大范圍內，壓降平穩。通過計算，其線性相關系數為0.673。

圖6　節流閥的壓降特性

圖7分別為開度20%、30%、40%時Cavitation模型的壓力云圖，在入口和出口附近壓力均勻，節流口附近壓力呈梯度變化，壓力急劇變小，隨后再逐漸變大；節流口處的流道面積小，會產生低壓，在閥芯和閥座之間及閥芯底部流體的壓力值低于氣泡分離臨界值，容易發生氣穴現象。圖8分別為開度20%、30%、40%時Cavitation模型的氣體體積數云圖，主要在閥芯和閥座之間及閥芯底部，容易在閥座壁面附近產生氣體；隨著閥門開度的增加，產生的氣體體積數逐漸減小。

a　開度為20%

b　開度為30%

c　開度為40%

a　開度為20%

b　開度為30%

c　開度為40%

油液在錐形節流閥各開度下的含氣量變化如圖9所示。含氣量為[8]

φ=Vv/Vl

式中：Vv是氣體體積，Vl是液體體積。

由圖9可知，隨著節流閥開度變化，含氣量呈遞減趨勢；開度為50%時，含氣量為0，表明此時節流閥流道內部壓力大于氣泡分離臨界壓力，無液體轉化為氣體的現象。在錐形節流閥的使用過程中，盡量使用較大開度調節，避免小開度時發生氣穴、氣蝕現象，該結果對于錐形節流閥在工程實際應用中有一定的實用價值。

圖9　含氣量變化曲線

4結論

1)通過對錐形節流閥內部流場的數值模擬，發現在小開度情況下，從節流口到出口位置會有輕微的渦流現象；節流閥的壓降和行程呈非線性關系，使用過程中盡量使用大開度范圍調節，避免壓力變化過大。

2)通過氣液兩相流對節流閥氣穴分析，發現在閥芯和閥座間的部位，氣體體積分數高，容易產生氣穴現象。閥門使用時間過長，閥座和閥芯會受到流體的化學腐蝕和出現崩裂現象，可以在閥芯外部和閥座內部區域進行堆焊，并且盡量使用大開度范圍調節。

3)采用FLUENT軟件能夠快速地了解錐形節流閥內部流場的規律及特點，為節流閥結構設計和優化提供了理論依據。

參考文獻：

[1]魏存祥，滕龍，王勇剛，等.固定節流閥流場數值模擬研究[J].石油礦場機械，2008，37(5)：47-49.

[2]許慧.內流工況液壓錐閥內部流場的三維可視化模擬與仿真[D].太原：太原理工大學，2007.

[3]譚劍波.液壓錐閥氣穴分析與流場參數化仿真[D].成都：西南交通大學，2014.

[4]張應遷，柳忠彬，唐克倫，等.基于FLUENT的閥門氣穴模擬[J].礦山機械，2012，40(11)：93-96.

[5]陸亮.液壓節流閥中的空化流動與噪聲[D].杭州：浙江大學，2012.

[6]劉銀水，楊友勝，朱玉泉，等.以水為介質阻尼孔氣穴流動理論和試驗研究[J].機械工程學報，2007，43(2)：147-150.

[7]張曉東，李俊華.基于Fluent的錐形節流閥流場數值模擬[J].石油礦場機械，2009，38(9)：50-52.

[8]汪健生，劉志毅.管道節流過程中氣蝕的數值模擬[J].機械工程學報，2008，44(12)：100-104.

Numerical Simulation and Cavitation Analysis of Taper ThrottlingValve based on FLUENT

ZHANG Yuan1，2，ZHOU Hai1，HUANG Jianjun1，GONG Kai1，2

(1.YanchengInstituteofTechnology，Yancheng224051，China；2.JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China)

Abstract：In view of the characteristic of severe Cavitation in the taper throttling value，the flow field was numerical simulated of gas-liquid phase flow by FLUENT software.The speed，streamline，pressure and the relationship of the pressure drop and the stroke change of the value stem were promulgated.Then，it was simulated of gas-liquid two phase flow based on Cavitation model.The results showed that the Cavitation and turbulence appeared between the value core and the seat.The Cavitation decreased with the increase of the taper throttling value opening.While the opening size arrive to 50% and later，the Cavitation phenomenon disappeared.The results of the analysis provided the basis for the design and optimization of taper throttling value.

Keywords：taper throttling valve；numerical simulation；FLUENT；cavitation analysis

中圖分類號：TE931.1

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.013

作者簡介：張圓(1990-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向為CAD/CAM。

收稿日期：①2015-09-29 國家自然科學基金(51405420)；江蘇省產學研前瞻性創新資金項目(BY2014108-04)；江蘇省“六大人才高峰”項目(2013-ZBZZ-026)

文章編號：1001-3482(2016)03-0058-04