帶有蝶閥管道固-液兩相流動的數值模擬*

褚 澤,朱 鈺,白錦軍,高 勇**,王戰輝,陳 科

(1.重慶菲力特機電工程有限公司,重慶 400039;2.中機中聯工程有限公司,重慶 400039;3.四川省兩江港航建設有限公司,四川 成都 400000;4.榆林學院 化學與化工學院,陜西 榆林 719000)

蝶閥在裝備制造業中有著極其重要的作用,被廣泛應用于各行各業,如石油開采、石油提煉、化學工業、農林業等行業[1-3]。目前,雖然國內外對閥門管道流動特性的研究較多[4-6],但實踐中的相關參數還有待改良,因此對帶蝶閥管道的流場進行數值分析,了解其流場的基本特性,有利于對帶蝶閥管道進行結構優化,延長使用壽命[7-8]。作者采用有限元方法對帶蝶閥管道的固液兩相流動內部流場進行數值模擬,改變閥門開度、入口速度等參數,研究管道內速度、流線、壓降等參數對管道內流場特性的影響。

1 建立幾何模型及劃分網格

在建立幾何模型時,抽取流道進行流場特性的研究[9-10]。選取蝶閥前后一段管道作為計算域,見圖1。

圖1 幾何模型

管道直徑等同于閥板直徑,為200 mm,閥板厚度為20 mm,進口管道長度為300 mm,出口管道長度為500 mm。采用四面體網格劃分方法生成網格,對閥板周圍和管壁附近設置膨脹層,同時對閥板周圍區域進行局部網格細化[11],并進行了網格無關性檢驗。網格劃分見圖2。單元數為81 252,節點數為23 167,平均網格質量為0.85。

圖2 網格劃分

2 確定邊界條件

(1)入口邊界。設置入口邊界為流體速度,流體溫度設置為300 K,流態設定為亞聲速。未考慮傳熱,因此比熱容設為0。

(2)出口邊界。出口邊界設置為壓力,參考壓力設為0 Pa,設定流態為亞聲速。

(3)對稱邊界。由于研究模型的對稱性,因此要對其進行對稱邊界設定,邊界類型為Symmetry。

(4)壁面條件。壁面設為粗糙壁面,粗糙度為0.2 mm。

3 設定兩相流模型

由于是固液兩相流動,因此要對材料進行設定。考慮到應用的實用性,兩相流采用水和沙粒混合,沙粒密度設定為2 300 kg/m3,粒子直徑設為50~500μm。

4 數值模擬

4.1 閥門開度對管道內流動特性的影響

閥門開度為20°、40°、60°、80°、90°,管壁處的侵蝕率分布見圖3。

圖3 不同閥門開度壁面侵蝕率分布云圖

由圖3可知,閥門開度越小,對壁面的侵蝕率越大,閥門開度為20°,蝶板周圍的壁面腐蝕特別嚴重;閥門開度為40°,對壁面的腐蝕面積最大,尤其是遠離閥板的位置;在全開的情況下,壁面侵蝕率特別小,幾乎無腐蝕現象存在。這是由于閥門開度越小,蝶板周圍的體積流量越大,導致對壁面沖刷嚴重。

閥門開度為20°、40°、60°、80°、90°,閥板處的侵蝕率分布見圖4。

圖4 不同閥門開度蝶板侵蝕率分布云圖

由圖4可知,處于穩態時,閥門開度為20°,閥板的閥面侵蝕率較大;閥門開度為90°,閥板的側面侵蝕率較大,這樣會使閥門密閉性變差;閥門開度較小時,被侵蝕的面積比閥門開度大時的面積大。

閥門開度為20°、40°、60°、80°、90°,帶蝶閥管道內的流線分布見圖5。

圖5 不同閥門開度管道流線分布圖

由圖5可知,閥門開度為20°,會出現回流現象,不利于介質的流通;閥門開度小于80°,在蝶板的后面會出現真空區,同時會出現旋渦,這種現象在閥門開度為40°時尤為明顯;閥門全開,閥板對流體流線的影響基本沒有,大部分流體會流向蝶板的偏移方向,且流線較密。

閥門開度為20°、40°、60°、80°、90°,對稱面處的壓力分布見圖6。

圖6 不同閥門開度壓力分布云圖

由圖6可知,閥門開度小于80°,蝶板的背面會出現負壓區,不利于流體的運輸;閥門開度小于60°,閥前管道壓力特別大,容易出現泄漏,造成不必要的經濟損失;閥門開度大于80°,閥前壓力和閥后壓力的壓差變得很小;閥門開度的大小對于閥門管道處的壓力最高值有著密切的關系,隨著閥門開度的增大,閥門管道處的壓力最高值會隨之減小。

閥門開度為20°、40°、60°、80°、90°,對稱面處的速度矢量分布見圖7。

圖7 不同閥門開度速度分布云圖

由圖7可知,靠近管壁的地方會出現速度為0的情況;閥門開度小于40°,閥板周圍會出現速度為0的地方,最大速度出現在閥門兩側;隨著閥門開度的增加,速度最大值會慢慢變小;閥門開度為60°,閥門周圍的速度分布會變得極不穩定。

閥門開度為20°、40°、60°、80°、90°,閥板兩端壓差、流量系數及流阻系數見表1。

表1 閥門開度不同時閥板兩端壓差、流量系數及流阻系數

由表1可知,隨著閥門開度的增大,閥門兩端的壓差減小,而流量系數增大,即隨著閥門開度的增大,閥門兩端的壓力損失減小。流阻系數隨著閥門開度的增大而逐漸減小,更加有利于流體介質的流通。

4.2 入口速度對管道內流動特性的影響

入口速度為3、5、7 m/s,管道內的管壁侵蝕率分布見圖8。

由圖8可知,入口速度為7 m/s,流體對管壁的侵蝕面積最大,即速度越大,對管壁的腐蝕越嚴重;腐蝕的部位大部分位于蝶板周圍處和正對閥板背水面的地方,腐蝕最嚴重的地方位于靠近蝶板的部分。

圖8 不同入口速度管壁腐蝕分布云圖

入口速度為3、5、7 m/s,蝶閥蝶板處侵蝕率分布見圖9。

圖9 不同入口速度蝶板腐蝕分布云圖

由圖9可知,流體對蝶板造成的侵蝕同管壁規律一樣,即速度越大,流體對蝶板的侵蝕面積和侵蝕程度越嚴重;流體對蝶板的侵蝕主要集中在蝶板的邊緣部分,蝶板中心幾乎沒有受到侵蝕。

入口速度為3、5、7 m/s時,對稱面處的壓力分布見圖10。

圖10 入口速度不同時壓力分布云圖

由圖10可知,入口速度的變化并沒有明顯改變管道內的壓力分布。入口速度為5、7 m/s時管道內的壓力值大于入口速度為3 m/s時管道內的壓力值。

入口速度為3、5、7 m/s,閥板兩端壓差、流量系數及流阻系數見表2。

表2 入口速度不同時閥板兩端壓差、流量系數及流阻系數

由表2可知,入口速度較大時,閥板兩端的壓差較大。流體介質速度的變化對流量系數、介質流通的流阻系數沒有影響。

5 結 論

(1)隨著閥門開度的增加,流體介質對管壁和閥板的侵蝕面積逐漸減小;管道內的流線、壓力和管道內流體矢量的分布均趨于穩定;同時壓力最大值和速度最大值變小,流阻系數逐漸減小,但流量系數逐漸變大;

(2)入口速度較大時,流體介質對管壁和蝶板的侵蝕較嚴重,閥門處的壓力和閥板兩端的壓差亦較大。