高溫耐磨球閥內部介質流動研究

吳懷敏，項光洪，王忠淵，Yuchong Dai，楊青鋒，項力勝，項良海，羅建康

（1.浙江石化閥門有限公司，浙江 溫州 325025；2.University of Ottawa, Ottawa 999040）

1 概述

球閥作為用來完成流量控制以及管道系統通斷的調節部件，被廣泛應用于各種能源輸送系統中。當球閥被應用于管道流動介質中含有催化劑顆粒的高溫高壓嚴苛情況時，介質中的催化劑顆粒會對球閥的整體性能產生非常重要的影響，而球閥的性能更是將直接關系到輸送系統的可靠性和安全性。本文作者在之前的研究中介紹了一種高溫耐磨球閥[1]，并且已經被廣泛應用于氣力輸送、沸騰床渣油加氫等含有固體催化劑顆粒的嚴苛工況中。本文將對這種高溫耐磨球閥進行進一步的研究。

2 物理模型和數值模擬方法

2.1 物理模型

本研究所采用的高溫耐磨球閥由浙江石化閥門有限公司的閥門設計人員自主研發，其三維結構如圖1所示。高溫耐磨球閥主要包括閥體、閥蓋、閥桿、支架以及球體等結構。

圖1 高溫耐磨球閥三維結構示意圖

通過對高溫耐磨球閥內部的流道進行提取，得到了渣油介質在耐磨球閥以及管道內部的流動區域，并將其作為本次數值模擬研究的計算域。圖2為高溫耐磨球閥在50%開度工況下的內部流道示意圖。內部流道主要被分為上游管道區域、耐磨球閥閥腔區域以及下游管道區域三大部分。上游管道區域和下游管道區域都延伸至管道直徑的10倍距離，以保證計算中的渣油介質和催化劑顆粒能夠充分發展。

圖2 高溫耐磨球閥50%開度時內部流道示意圖

2.2 數值模擬方法

本文采用歐拉-拉格朗日方法對渣油介質和催化劑顆粒進行耦合計算，渣油流場通過不可壓縮Navier-Stokes方程進行求解，并在動量方程中加入了流體與顆粒之間的相互作用力項，采用Realizable k-epsilon模型求解湍流流動。連續相的控制方程如下。

其中，V為渣油介質的速度，ρ為渣油介質的黏度，P為壓力，τ為應力張量，g為重力，FD為顆粒的拖曳阻力。催化劑顆粒的運動方程使用牛頓第二定律來求解，并且不考慮固體顆粒催化劑的壓力梯度力、虛擬質量力、馬格努斯力、黏性剪切力等，因此主要使用流體對顆粒的拖曳阻力和重力來預測顆粒的運動。根據Clift等[2]的研究，顆粒的運動方程可以寫成：

式中，Cd為阻力系數，其公式由Morsi 和 Alexander[3]給出。

顆粒在運動過程中還會與壁面發生碰撞反彈，導致顆粒損失一部分動能。因此，采用Grant等[4]提出的公式對顆粒與壁面碰撞后的速度進行求解，用法向恢復系數en和切向恢復系數et來反映粒子碰撞壁面后切向和法向速度的變化：

在本文的研究中，設置渣油和催化劑顆粒的進口速度均為5 m/s，渣油介質為塔河常壓渣油[5]，其密度為1 018.7 kg/m3，黏度為0.008 262 kg/m-s；催化劑顆粒采用Al2O3為載體的球形顆粒[6]，其直徑為200μm，密度為3 650 kg/m3。

3 結果討論

3.1 網格無關性驗證

對圖2所示的計算域使用四面體非結構網格進行劃分，得到5套不同數量的網格：80萬，100萬，120萬，160萬，220萬。當耐磨球閥為100%開度時，對5套網格進行計算，得到三部分計算域中的平均流動速度。通過比較可以發現，網格數量超過120萬時，計算結果已經與網格數量相關性非常小。因此本文采用220萬網格進行計算。

3.2 渣油流動分析

當耐磨球閥相對開度為100%時，管道中的速度比較均勻，但是由于渣油具有非常大的黏性，管道壁面和球閥壁面對渣油的流動產生了比較大的黏滯力，使得管道中間的渣油速度要大于管道壁面上的速度，并且在前閥座與閥蓋的配合位置、球體與前閥座以及后閥座的配合位置，渣油的速度會更低。當耐磨球閥的相對開度為75%時，管道中間的渣油速度仍然要比壁面附近速度大，但是在下游管道，管道底部的速度要大于管道上方的速度；在耐磨球閥的球體中間部分，管道下半部分的渣油速度要小于管道上方的渣油速度[7]。當耐磨球閥的相對開度為50%時，渣油已經進入到閥腔中，并且在閥腔中具有非常低的流速；而球閥球體和前閥座之間通流面積的減少，使得渣油在經過球體時形成高速射流，高速射流撞擊到閥芯管道的上壁面，并貼合閥芯管道壁面進入到下游管道，在下游管道的上半部分形成了一個非常明顯的漩渦。當耐磨球閥的相對開度為25%時，球體和前閥座之間的通流面積進一步減少，閥門的節流效果非常強[8]，使得管道中的高速射流比相對開度為50%時更加明顯，高速射流也會緊緊貼近管道的壁面。

耐磨球閥在全開狀態下，管道中的相對壓力比較小，球體前后位置的壓差不是很大。但是隨著耐磨球閥開度的減小，上游管道中的壓力逐漸增大，下游管道中的壓力逐漸減小，球體前后的壓差會變得非常大。

3.3 球閥附近的顆粒分布

當耐磨球閥相對開度為100%時，渣油介質中的催化劑顆粒能夠非常均勻地分布在管道中。隨著耐磨球閥開度的減小，催化劑顆粒在球閥閥芯管道中的高速區域位置的濃度逐漸增加，特別是在耐磨球閥相對開度為50%和25%時，顆粒在渣油高速射流的攜帶作用下，也會趨向于靠近閥芯壁面的位置分布[9]。還能發現，閥芯中低速區域中的顆粒非常少。當閥腔出現之后，靠近閥芯低速區域的閥腔位置處，顆粒數量也比較少；但是靠近閥芯高速區域的閥腔位置處，顆粒數量會非常多。催化劑顆粒在下游管道中的分布出現了比較極端的現象，即顆粒在下游管道的底部和上部靠近球體位置的濃度非常高。

3.4 耐磨球閥附近顆粒速度和運動分析

圖3為耐磨球閥相對開度為100%和75%時催化劑顆粒的速度矢量圖。從圖中可以看到，當耐磨球閥相對開度為100%時，催化劑顆粒運動方向比較統一，主要沿著管道中的渣油介質流動方向，并且管道中的催化劑顆粒速度要比靠近壁面的顆粒速度高。當耐磨球閥相對開度為75%時，從顆粒的速度矢量圖可以推斷出，催化劑顆粒在閥芯管道下方和下游管道上方循環流動。催化劑顆粒在下游管道上方的循環流動會更加明顯，催化劑顆粒在下游管道的底部也形成了一道高速顆粒流[10]。結合顆粒分布，不難推測，下游管道底部的高濃度分布是由于顆粒跟隨渣油高速射流運動形成的，下游管道上部靠近球體位置的高濃度顆粒是由于顆粒的循環運動導致的顆粒積累。還可以非常明顯地發現，雖然閥芯管道中的顆粒數量非常少，但也能呈現出循環流動的形式，而催化劑顆粒在閥腔中也具有循環流動的特點。閥芯、閥腔以及管道中的循環流動的顆粒速度都比較低。

圖3 耐磨球閥相對開度為100%和75%時催化劑顆粒的速度矢量圖

4 結語

為了探究高溫耐磨球閥內部的渣油介質流動以及催化劑顆粒運動，本文采用歐拉-拉格朗日方法，針對高溫耐磨球閥內部含有催化劑顆粒的渣油介質流動進行了研究。結果發現，當耐磨球閥全開時，管道中間的渣油速度以及顆粒速度都要大于壁面附近的速度；小開度下，閥腔中的渣油速度和顆粒速度都非常低，球閥的前后壓差也非常大；渣油速度比較高的區域中，顆粒數量也會非常多；閥芯、閥腔以及管道中的一部分顆粒會表現出循環流動的特點，并且循環流動的顆粒速度都比較低。