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    煤气混输中不同含气率下球阀内部流场考试及仿真分析

    品种:蛋阀 | 笔者:马艺 郑生宏 张生昌 | 通告日期:2018-08-14 16:12:23

          随着社会经济的飞速发展,我国的煤气供需矛盾日益突出,多相流混输技术正在逐渐取代传统的原油运输技术。煤气混输泵作为多相流混输技术之重要性核心,伊总产值在不断地增多。与俗的煤气分离技术相比,伊具有结构简单、借鉴方便、经济效益高、高效率等优点。而出言泵阀作为油气混输泵内的重要性部件,伊工作特点直接影响油气混输泵的习性及工作可靠性。所以,研讨油气混输泵泵阀具有关键的经济意义和滥用价值。 昆明普惠斯

         内外多名研究者对各个泵阀做出了一连串相关的研讨,如使用CFD数值模拟方法对泵阀阀芯开启高度、阀芯运动速度等展开仿真模拟;使用PIV等办法对泵阀内部流场进行可视化试验,剖析他内部速度场,压力数值等;穿过考试对泵阀的阻力系数、及阀芯受力特性等展开测试。但眼下研究泵阀大多是在纯液相工况,对气液两相的研讨甚少。于是,本文利用CFD硬件对燃气混输泵两相工况下球阀进行数值模拟,研讨不同含气率对球阀内部流场的影响,同时通过考试对蛋阀的转口压差特性进行研讨,所以验证模拟的可靠性,为球阀的计划及优化做出指导。

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    一、多少模型和初始条件

    1、流模型和多相流模型 本文来自hot88竞技官网

        蛋阀内部为旋转绕流流动,经测算可知气液各相的雷诺系数均大于临界值,且受气液两相介质的混合扰动作用,故而对球阀流场进行模拟时应选择湍流模型。k-ε二者程模型应用较广,本文模拟计算的利用的水流模型将利用标准k-ε二者程模型。在专业k-ε模型中,k和ε把看作是确认湍流尺度的主干物理量,该模型已经解决了累累工程湍流问题,结果令人看中,对具有分离流、回流的阀道湍流流动有较好的模拟效果。 本文来自hot88竞技官网

        在专业k-ε湍流模型中,湍动能k和湍动能耗散率ε的运送方程可描述为:

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    湍动能k和湍动能耗散率ε的算计公式    (1)

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    湍动能k和湍动能耗散率ε的花园式    (2)

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    式中 ui———沿i方向的进度分量,i=1,2,3 hot88竞技官网

           μ———介质的活动粘性系数

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           μt———涡粘性系数

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           σk———湍动能k对应的Prandtl数

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           σε———湍动能耗散率ε对应的Prandtl数

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           P———湍动能生成项 hot88竞技官网

    湍动能生成项公式    (3) 情节来自junjinmaoyi.com

        其中 情节来自junjinmaoyi.com

    涡粘性系数计算公式

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        普通情况下,k-ε模型中经历常数Cε1,Cε2,Cμ,σk,σε取值通常如下:Cε1=1.44,Cε2=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。 昆明普惠斯

        本文分析含气率对球阀流场的影响,含气率的转移范围较大,且气相与液相的相互作用尚不明朗,所以本文选择Mixture多相流模型。

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    2、多少模型建立和网格划分

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        单阀的组织和骨干尺寸如图1所示,名将他按图所示的组织加工后进行试验,检察模拟的强度。在数值模拟计算中,在保证不影响调节阀门重要区域之流动状态和一体化流场分布的情况下,现实建模时对单向球阀流道进行多元化,进而降低计算机处理计算的要求,大妈节约计算工作时间,对流道之规范化部分如从:出于与阀球相连的弹簧结构主要意图是提供弹簧作用力,对调节阀的阀道流场的影响可以忽略,可将弹簧所占区域省去;此外,为了分析不同开启高度对单向球阀进出口压差的影响,所以取阀体进口上游至出口下游段区域作为仿真模型,计算模型的组织与试验单向球阀流体区域之组织保持一致,确保试验的强度。

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    考试单向球阀的组织 昆明普惠斯

    希冀1 考试单向球阀的组织

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        单球阀开启过程中,随着阀球开启高度的转移,造成其接触面不断变动,并且流体计算域相对较大,为减少网格数并增强网格质量,本文对一半流道采取分区划分网格,阀进口及阀腔区域采用非结构化网格,阀出口到下游管道区域采用结构化网格。文章建立了不同阀球开度的蛋阀流道三维模型,并对伊进行了数值模拟计算,希冀2为阀球开启高度为4mm时,蛋阀整体计算域划分网格示意。    hot88竞技官网

    单球阀1/2流道模型网格划分

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    希冀2 单球阀1/2流道模型网格划分 copyright junjinmaoyi.com

        模型单元格总数为270919,重点数为90000,对流场区域初始化后,开展迭代计算,收敛判据为模型各项参数的残差值小于10-4。

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    二、宪章准确性验证

        为检验模拟的准确性,基本建设了一套试验平台对模拟值进行检查,考试装置流程如图3所示。 情节来自junjinmaoyi.com

    考试装置流程示意 本文来自hot88竞技官网

    希冀3 考试装置流程示意 昆明普惠斯

        出于油、气介质的考试操作较不方便,且成本较高,于是用水和环境代替进行试验。考试装置的主干规律为:水箱中的水通过塑料软管进入到齿轮泵中,穿过调整变频电机的效率来改变齿轮泵的谈话流量等工况,齿轮泵将流体输送进入液路。上半时,调整空气压缩机和管路系统出口处的调节阀,以控制进入气路上的气氛流量,所以得到流场中不同之含气量。在气液两路上都安装有确切的电磁流量计,确保进入气液两相球阀的增量值与预测值符合。 junjinmaoyi.com

        为增强气液两相的混合均匀度,在改善混合器结构时,另一方面增大气液混合面积,一头减小气孔的覆盖面,所以减小射流孔之直径,并且适当加大孔间距以避免射流锥相交形成气囊。混合装置使空气沿液体管路壁面直接进入与液体混合,并综合考虑注气管在截面上的摆放,有效地防止了射流锥交叉以及气囊的产生,有效液相和气相通过气液混合装置均匀进入到球阀内。在球阀的排出口处安装了压力表,伊精度高达0.001MPa,用于读取不同工况下的转口压力,进而得到球阀进出口压差值。压力表的设置标准符合自动化仪表装置工程质量检验评定标准,伊带来的误区符合规定。

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        名将模拟设置为与团阀试验相同流量Q,开始高度H及同一含气率β其次,同时他流动介质为水和空气,得到的蛋阀进出口压差ΔP,宪章值与试验数据值对比如图4,5所示。其次图可见,宪章值和试验值基本吻合,误区不超过15%,于是可认为模拟能较好的报告出球阀内部的真正状况,宪章的舒适度较高。 情节来自junjinmaoyi.com

    不同进口流量下球阀进出口压差的考试值与模拟值 本文来自hot88竞技官网

    希冀4 不同进口流量下球阀进出口压差的考试值与模拟值

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    不同开启高度下球阀进出口压差的考试值与模拟值

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    希冀5 不同开启高度下球阀进出口压差的考试值与模拟值

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    三、蛋阀进出口压力差试验值分析

        由上文可知,顶球阀内部流动介质为水、环境时,宪章和试验吻合度较好。下将流动介质变为油、气,宪章出油气混输泵泵阀内流动的真正流动状态,以期研究不同工况下球阀的活动特性。 本文来自hot88竞技官网

    1、含气率对球阀进出口压力差的影响 本文来自hot88竞技官网

        名将阀门球体开启高度固定在3mm,阀球进口流量从5m3/h逐渐增多到9m3/h,研讨含气率对出口压力差的影响。不同进口流量时含气率与出口压力差关系曲线如图6所示。

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    含气率与出口压力差的关联曲线 junjinmaoyi.com

    希冀6 含气率与出口压力差的关联曲线 hot88竞技官网

        其次图可见,顶球阀进口流量为9m3/h时,随着含气率β其次0追加到0.9,蛋阀进出口压力差从0.052MPa降低到0.005MPa,降低了简易94%,降低幅度非常明确。同样,在球阀进口流量为5m3/h时,纯液工况下球阀进出口压力差为0.016MPa,顶含气率β成为0.2时,压力差骤降为0.013MPa,随着含气率的进一步增长,压力差一直不断地减少,直到降低为0.002,降低幅度约为85%。 junjinmaoyi.com

        着眼5条直线之特殊性可知,在相同的增量和开始高度下,随着含气率的充实,蛋阀进出口压力差较均匀地降落,且降低幅度比较明确,这是出于随着含气率的充实,气液两相流之混合密度降低,同体积下流动介质质量降低,所以导致动量降低,湍动能强度降低,所以导致出口压力差降低。

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    2、含气率对球阀内流动特性的影响

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        在泵阀设计计算时,阀的增量系数是一番关键参数,在现实利用中,出于阀的项目、阀腔流道结构的不同,研究者往往通过检测阀进出口的压力来计算阀的增量系数。 junjinmaoyi.com

    单球阀流量系数计算式:

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    单球阀流量系数计算公式    (5) 昆明普惠斯

    式中Cq———年产量系数 copyright junjinmaoyi.com

            qv———蛋阀阀口流量 junjinmaoyi.com

            Δp———蛋阀进出口压力差

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            A———蛋阀过流面积

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            ρ———介质密度 hot88竞技官网

    蛋阀的阀隙过流面积A为: 本文来自hot88竞技官网

    蛋阀的阀隙过流面积A    (6)

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    其中

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    调节阀口之等效直径

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    式中 dm———阀口之等效直径 junjinmaoyi.com

           x———阀球位移 hot88竞技官网

           R———阀球半径

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      气液两相介质的舒适度为:

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    气液两相介质的舒适度    (7) copyright junjinmaoyi.com

      式中 β———介质含气率

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           ρg———空气密度

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           ρl———液体密度

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        顶流量Q为10m3/h,含气率β分别为0,0.2,0.4,0.6,0.8,开始高度H分别为2,3,4,5,6mm的工况下,募集单向球阀进出口表面压力数据,并对伊面积进行加权平均,拥有球阀进出口表面平均压力差,再确定不同开启高度、介质含气率下的增量系数。名将流量、难度代入式(5)开展计算,得到球阀的增量系数与介质含气率的关联曲线,如图7所示。

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    含气率与总量系数的关联曲线

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    希冀7 含气率与总量系数的关联曲线 本文来自hot88竞技官网

         顶开启高度为2mm时,随着阀球进口含气率β其次0逐渐增多到0.2的长河中,伊储量系数从0.502降低为0.501,降低幅度约为0.02%,事后随着含气率的进一步增长为0.8时,伊值变为0.502。而当开启高度为3mm时,随着阀球进口含气率β其次0逐渐增多到0.4的长河中,伊储量系数从0.477降低为0.476,事后随着含气率的进一步增长,伊值在0.477控制。 hot88竞技官网

         其次总产量系数变化曲线可以看到:在同一流量和开始高度下,含气率的转移导致球阀进出口压差变化,同时内部流体介质密度也发生变化,蛋阀流量系数变化不明白,表明介质含气率对单向球阀的增量系数影响较小。这是在总量Q为定值时,出于气体的舒适度远小于液体的舒适度,含气率的充实对气液两相流之舒适度影响不大,而在同一开启高度,有效球阀过流面积为定值,所以有效流量系数没有较大变化。 昆明普惠斯

    四、蛋阀内部两相流场分析

    1、含气率对球阀内部两相流场的影响 junjinmaoyi.com

        希冀8是开端高度H为2mm、年产量Q为8m3/h,含气率β分别为0.2,0.3,0.4,0.5的气相体积分数分布云图。 昆明普惠斯

    不同含气率下的气相体积分数分布云图

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    希冀8 H=2mm,Q=8m3/h时不同含气率下的气相体积分数分布云图

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         对待4种工况的蓝图可知,在球阀内部的阀球尾部A处气相分布较多,这是出于阀内尾流产生了旋涡,旋涡中含有大量气体,附着在A处。在阀内部B处出气相也较其邻域处气相较多,因为B位于阀球间隙处,该处不仅流道产生突变,且过流面积最小,气液两相流流经B处时,气相粘附在此间。而当流体流经C处时,出于该处为突扩界面处,此间产生了二次回流,有一部分旋涡产生,旋涡中包裹大量气体,有效C处含气率增加。对待图4(a)~(d)还可看出,伊也有不同的处,随着含气率β的充实,阀球尾部的气相分布逐渐增多,但增加幅度不大,其间流场也发生改变。

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    2、蛋阀内部流阻系数分析

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    流阻系数ζ计算式: 情节来自junjinmaoyi.com

        (8)

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    式中 υ———介质在流道中的平均流速

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         在总量Q为10m3/h,含气率β分别为0,0.2,0.4,0.6,0.8,开始高度H分别为2,3,4,5,6mm工况下,分手采集在一派球阀内部流道之进度数据,并对伊体积进行加权平均,拥有介质在流道中的平均流速,再将出口压力差、介质密度代入式(8)开展计算,得到球阀的流阻系数与开启高度、介质含气率的关联曲线,如图9所示。 hot88竞技官网

    流阻系数与开启高度、含气率的关联曲线 copyright junjinmaoyi.com

    希冀9 流阻系数与开启高度、含气率的关联曲线

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        其次图可见,在含气率β为0时,随着阀球开启高度H其次2mm逐渐增多到6mm的长河中,伊流阻系数从22.8降低为3.9,降低幅度约为82.9%。在初始高度H为2mm时,含气率由0追加到0.2时,流阻系数由22.8成为22.7,含气率继续增长为0.4时,流阻系数变为22.8,直到含气率增加为0.8时流阻系数为22.7,流阻系数几乎没有变化。 本文来自hot88竞技官网

         由流阻系数变化曲线可以看到:顶阀球进出口流量、介质含气率一定时,随着阀球开度的附加,蛋阀的流阻系数逐渐滑坡,并且减小的宽度在变小;顶阀球进出口流量、开始高度一定时,随着含气率的附加,蛋阀的流阻系数几乎维持不变,表明介质含气率对单向球阀的流阻系数影响很小。起来分析可知,出于含气率的充实有效球阀进出口压差降低,同时流体介质的舒适度降低,速度也发生相应变化,三者叠加在总共使得流阻系数呈现逐渐滑坡的规则。

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    五、总结

    1. 气液两相流流经阀球内部时,阀球尾部聚集了大量之气相,且在中间四周壁面的气相分布较少。在同一进出口流量和开始高度下,含气率对流场有稳定的影响。
    2. 在相同的开始高度及进出口流量下,随着含气率的充实,出于气液两相流动量降低,湍动能强度下降,蛋阀进出口压力差较均匀的下降,且降低幅度比较明确。特别是出口流量较高的情况下,压降变化更加明确。
    3. 顶阀球开启高度及进出口流量恒定时,随着含气率的附加,阀球底面的压力不断减小,阀门进出口压力差也呈现出减小的动向,而两相介质的含气率的转移对阀内的进度场影响不大。另外,介质含气率的转移对阀流量系数及流阻系数影响很小。
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