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    水环稠油管道输送中球阀内部流动结构模拟分析

    品种:蛋阀 | 笔者:江帆 岳鹏飞 黎斯杰 | 通告日期:2018-08-09 11:00:12

        蛋阀是原油管道运输系统中的重要控制部件,伊阀芯转动过程会对伊内部流动状态产生影响,所以分析阀门不同开度下的里间流动结构对降低异常流动的危害有着至关重要意义。
        内外许多师对阀门内的流动状况进行了研讨,如J.R.VALDES等利用CFD艺术模拟了止回球阀内的空穴流动,并得到试验验证;A.POSA等利用侵入边界法对换向液压阀内流动进行直接数值模拟,剖析了不同开度下流量系数和压降等数的转移。相对来说,境内对转动球阀内的流动研究较多,如屈铎等用CFD艺术数值仿真了球阀阀腔内的流动状况;刘华坪等采取动网格技术对阀门瞬态行为进行了数值模拟;王慧杰对球阀启闭动态过程进行了数值模拟与试验研究,剖析了球阀启闭动态过程对球阀性能曲线及其间流场的影响;杨国强等对蛋阀内壁三维流场进行数值模拟仿真,探讨了球阀开启过程内部流场的转移;王朝富等对强制密封的蛋阀内部流动进行分析及组织多元化;江帆等对不同物性流体在阀门内流动结构进行了研讨。该署研究集中在单相流动,很少涉及多相流在球阀内部流动结构的剖析。 情节来自junjinmaoyi.com

        水环稠油管道输送是一种低能耗的高强度石油管道运输方式,已经在世界各地确立了3条短距离的水环稠油输送线,取得了较好的刻苦效果。伊环状流稳定性对原油输运可靠性具有举足轻重影响。作者对油水环状流在球阀内流动结构进行研讨,以探讨不同阀门开度下油水环状流在伊通过调节阀门后产生之复杂性流动结构(漩涡与射流),及这些复杂流动结构的转移,以期为油水环状流在复杂流动结构从的平安研究提供参数。 hot88竞技官网

    1 流动控制方程

    流体在球阀内部流动遵守质量守恒和总分守恒定律,湍流采用标准κ-ε湍流模型,现实如下。

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    连续性方程为: 情节来自junjinmaoyi.com

        (1)

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    式中:Ñ表示散度;ρ表示流体密度,kg/m3;υ表示流体速度,m/s;t表示时间,s。 昆明普惠斯

    存量守恒方程为: 昆明普惠斯

         (2) hot88竞技官网

    式中:p是变态压力,Pa;是电力张量;表示重力体积力,N;F→为外部体积力,N。 hot88竞技官网

    微重力张量的算计式为:

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        (3)

    昆明普惠斯

    式中:μ是流体黏度,Pa·s;I为单位张量。

    昆明普惠斯

    专业κ-ε湍流模型为:

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        (4)

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        (5)

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    式中:Gκ表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生;Gb表示由于浮力影响引起的湍动能产生;YM表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响;μt为湍流黏性系数;C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09,湍动能κ与耗散率ε的水流普朗特数分别为σκ=1.0,σε=1.3。

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    上述方程主要针对单相流,对于油水两相流,方程中的ρ和μ需按照如下CLSVOF模型给出。

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    式中:αo为油相体积分数;αw为水相体积分数;ρo为油相密度,kg/m3;ρw为水相密度;μo为油相黏度;μw为水相黏度。

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    使用连续表面力(CSF)模型作为相界面的压力跃变,即公式(2)中的外部体积力,表示为: junjinmaoyi.com

        (9)

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    式中:σwo为规模张力,κ为规模曲率,定义如下:

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        (10)

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    式中:n是外部法向,定义为相体积分数的力度,可以写为如下形式: junjinmaoyi.com

        (11)

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    2 计算模型

    对球阀内部构造进行多元化,采取SolidWorks硬件创建球阀的四方模型,流道之直径为20mm,进口管道长度为100mm,说话管道长度为200mm,如图1所示。根据球阀三维模型创建球阀内部流动区域之模子,如图2所示。全方位模型由入口管道、阀芯和出口管道组成。 hot88竞技官网

    蛋阀简化模型

    昆明普惠斯

    希冀1 蛋阀简化模型

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    蛋阀流动区域模型 junjinmaoyi.com

    希冀2 流动区域模型

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    对流动区域模型进行网格划分,采取ICEMCFD名将流动区域划分为非结构网格,出于球阀阀芯是湍流的定居点,在阀门由关闭到开启的长河中一直保持较高的车速,散乱流现象比较严重,要求对阀芯的网格进行加密处理,以加强阀芯处流场的模拟精度。定义全局网格参数为0.8,转移如图3所示的六面体网格,网格数量为304215。 昆明普惠斯

    蛋阀网格模型 hot88竞技官网

    希冀3 网格模型 昆明普惠斯

    蛋阀开度分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%。为了了解环状流在管道系统阀门中的流动结构,此间由水形成外环、高强度的油形成油核,各流体的专业性参数如表1所示。每个流体均对10%到100%的10个开度进行计算仿真。激活CLSVOF模型,设定边界条件:进口为速度入口,剖析采用的气体流速分别为v3,即油相实际入口速度1.20m/s,水相具体入口速度1.02m/s;v5,即油相实际入口速度2.06m/s,水相入口速度1.77m/s;v7,即油相实际入口速度2.78m/s,水相入口速度2.28m/s;说话采用压力出口,任何均为壁面。出于雷诺系数超过临界值,流动区域产生湍流,使用标准κ-ε湍流模型。流动控制方程采用CFD硬件FLUENT16求解,求解方法为SIMPLE书法,各类的离散格式全部为二阶迎风格式,双精度求解。

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    表面1 各族气体的专业性参数 昆明普惠斯

    各族气体的专业性参数 hot88竞技官网

    3 宪章结果分析

    3.1 漩涡结构的演化

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    名将计算结果导入TecPlot外方,测绘管道截面上的流线图,察觉流线图呈漩涡状流动,漩涡的演进主要是因为下阀芯出口流出的气体速度较大,且速度方向与管道轴线方向存在一定广度,在快速流体的带动下,说话管道中的流体随之加快流动,管道内部流动开始朝向各个方向,出于车速的不均,造成管道内部形成较为明显的漩涡流动。漩涡中心流速很低,靠近于0,漩涡中心以外区域流速则很高,名将走向出口的气体吸入漩涡中,穿过使流体不断回流而降低流体流速。漩涡的职位集中在管道中心区域附近,随着开度的转移而移动,伊范围随管道内部最高时速的转移而变化。 情节来自junjinmaoyi.com

    如图4和图5所示分别为阀门开度10%和20%、流速v3工况下的阀后流场图。由图可知,说话管道靠近阀芯出口位置有一番面积较大的漩涡,漩涡中心为油相,基本处流速最小,基本处于停滞不前状态,而随着漩涡中心向外扩散的海域则油相和水相混合分布,油相以分散液滴的样式在漩涡区域不断的凝聚,成为液团以后开始走向出口,在流向出口的长河中又进一步分散,说到底以漂浮液滴的样式流出。对待图4a和图5a的漩涡位置发现,阀门开度由10%追加到20%之后,漩涡中心向右下方移动,且面积有所回落,但流线更密,这表明漩涡强度有所增大。 junjinmaoyi.com

    阀门开度10%将来、之后流场图 hot88竞技官网

    希冀4 阀门开度10%将来、之后流场图 junjinmaoyi.com

    其次图4a可看出,这时漩涡面积较大,混合强烈,本条平面的漩涡主要控制管道轴线方向的流动,故称为轴向漩涡,她决定流体流向出口的进度大小及方向;在油水环状流通过阀门后,在阀芯出口形成一段高速射流,在射流的带动下,说话管道内流体的车速开始加快,出于阀芯出口处的飞速射流方向与管道轴线方向有稳定广度,射流在接触到管道壁面以后开始向各级方向流动,造成出口管道靠近阀芯出口位置形成一个较大的漩涡,这时由于水相流速较油相快,科学被漩涡区域吸引,故而漩涡区域主要是油相以液滴的样式不断在此汇聚,等速度衰减到一定水平之后随高速射流向出口位置流动。 copyright junjinmaoyi.com

    阀门开度20%将来、之后流场图 copyright junjinmaoyi.com

    希冀5 阀门开度20%将来、之后流场图 junjinmaoyi.com

    其次图4b可看出,在阀芯位置有2个互相对称的漩涡,在跨境阀芯出口的同时,也在提管道里面形成了2个对称的漩涡,这2个漩涡控制着管道内部Z轴方向(重力方向为Z轴负方向)上、其次2一些流体的流动,也是行之有效油相和水相相互交织的第一原因,对环状流产生破坏的第一是这部分对称漩涡。

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    阀门开度30%将来、之后流场如图6所示。由图6a可以发现,这时出口管道漩涡位置油相所占体积分数达到最大,不用说此时的漩涡区域基本上全是油相。穿过阀芯的气体速度快的以射流形式流向出口,速度较慢的就把漩涡区域吸引,开展回流,等速度衰减了之后再流向出口。出于漩涡中心区域之车速接近0,而漩涡外围的车速则接近最高时速,说话管道内各个区域速度差较大,进而造成管道内部流动较为混乱。

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    阀门开度30%将来、之后流场图 junjinmaoyi.com

    希冀6 阀门开度30%将来、之后流场图 本文来自hot88竞技官网

    阀芯位置的对称漩涡仍旧存在,但同开度20%时比较明确减弱了,上部的漩涡已经初步解散,下面的漩涡依旧存在,但面积已经很小。

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    阀门开度40%和50%将来、之后流场分别如图7和图8所示。由图7可以发现,阀门开度为40%时,阀芯内部的杂乱流有所改善,油相开始在提管道聚集,逐渐形成连续相,油水环状流开始形成,其次流线图上得以看到,阀芯出口附近的漩涡已经明确减弱,只有少量之油相液滴悬浮在漩涡附近;这时阀门前、之后流场趋向稳定,阀芯出口位置有少量油相以液滴的模样流出,该署油滴漂浮在管道中,随着向出口管道的流动逐渐汇聚成团,说话管道的漩涡区域变得更加紧密,面积减小,但漩涡区域附近流速有所增加,少量油滴被卷入漩涡区域,管道仍旧有部分油滴。 junjinmaoyi.com

    阀门开度40%将来、之后流场图

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    希冀7 阀门开度40%将来、之后流场图

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    阀门开度50%将来、之后流场图 junjinmaoyi.com

    希冀8 阀门开度50%将来、之后流场图 本文来自hot88竞技官网

    阀门开度为50%时,说话管道的漩涡基本消失,油相已经形成连续相,在阀芯出口位置被水包裹在中等。漩涡中心较阀门开度为40%时往上移动,漩涡区域明显滑坡,油相在阀芯出口位置不再被吸引到漩涡区域,而是凝聚在总共流向出口管道,这时漩涡区域全部为水相。

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    阀门开度60%将来、之后流场如图9所示。这时油水环状流已经稳定形成,阀后回流区域已趋近于消失,油相流动平稳且连续,水相仍生活一定紊流。 hot88竞技官网

    阀门开度60%将来、之后流场图

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    希冀9 阀门开度60%将来、之后流场图

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    顶阀门开度为70%时,伊阀门前、之后流场如图10所示。这时管道内部具有较好的流动性能,流动过程的压力梯度及速度梯度都较小,阀后漩涡完全消失,阀芯位置的杂乱流也趋于平稳,阀门对油水环状流的影响基本消失。

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    阀门开度70%将来、之后流场图 情节来自junjinmaoyi.com

    希冀10 阀门开度70%将来、之后流场图 昆明普惠斯

    在开度达到40%将来滞留区域以油相为主,顶阀门开度增大到40%日后,漩涡面积迅速回落,这时水相参与漩涡为主。 昆明普惠斯

    穿过对比不同速度从的模拟结果发现,对称漩涡在流速较高且阀门开度较小时容易出现,顶流速为v3时,阀门开度达到20%日后对称漩涡就消失了;顶流速为v7时,直到阀门开度达到40%,对称漩涡才消失。而轴向漩涡则不同,顶流体流速为v3时,直到阀门开度达到70%才消失;顶流速为v7时,阀门开度达到50%时就已经消失了,这表明并不是速度越大漩涡越明显。 copyright junjinmaoyi.com

    对提管道中漩涡中心的坐标进行定量分析,树立如图11所示的星系,以球阀阀芯作为三维坐标系的着眼点,X轴正方向为流体流动方向,分手绘制漩涡中心X、Y、Z轴坐标的变化图。 情节来自junjinmaoyi.com

    漩涡中心的星系 本文来自hot88竞技官网

    希冀11 漩涡中心的星系

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    对模拟结果中说道管道靠近阀芯位置的漩涡坐标进行监测,选择前面几种研究速度进行定量分析,测绘关于阀门开度和X、Y、Z轴坐标之间沟通的线条图,如图12所示。 hot88竞技官网

    阀门开度与漩涡中心坐标的关联 hot88竞技官网

    希冀12 阀门开度与漩涡中心坐标的关联 junjinmaoyi.com

    希冀12外方,漩涡中心的Z轴坐标表示的是Y=0平面内对称漩涡的坐标,出于漩涡关于Z=0对称,故只记录Z轴正方向的坐标,电气化坐标表示漩涡消失,X轴的坐标越大说明漩涡越远离阀芯。剖析可知,顶阀门开度达到60%时,全体速度条件下都不会产生漩涡,这也表明阀门开度60%时,油水环状流已经足以稳定通过阀门。对于不同速度从的线条图变化趋势一致,其中X轴坐标表示轴向漩涡的职位;Y轴坐标表示漩涡中心偏离管道中心的距离,一般来说漩涡中心越偏离管道中心,则表明漩涡面积越小,零度也越低;Z轴坐标表示的是对称漩涡的职位。 hot88竞技官网

    眼前分析过开度达到30%时流动状态最为紊乱,在此地阀门开度30%时的杂乱主要表现为X轴坐标达到最大值,轴向漩涡面积最大;Z轴坐标达到最小,这表示对称漩涡中的一对距离最短,这时对称漩涡流动性最强。

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    顶开度达到40%时,对称漩涡最微弱,管道内部流动趋于稳定,起来形成水包油的星形流;顶开度达到50%时,出于对称漩涡完全消失,说话管道流线开始稳定,管道内部漩涡重整,这时X轴坐标增长并不代表漩涡面积增加,鉴于漩涡过于微弱,造成漩涡中心开始向管道出口方向移动。不同速度对漩涡的影响重大体现在坐标值的大小,速度越大、漩涡越强烈,漩涡中心距离阀芯出口就越远,但在阀门开度达到40%日后,速度的充实对管道内部漩涡的影响开始逐渐滑坡,因为此时流速过大,漩涡难以使他产生回流,而是随着流体一同流动,造成漩涡提前消失。

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    3.2 射流结构分析

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    流体通过阀芯时,出于阀芯与管道之间流道面积急剧减少,有效流体流出阀芯出口时会以较高的进度喷射而出,这段喷射而出的飞速流体被称为射流。在此地记流体从高高的时速衰减到讲话管道的平均流速时的职位到阀芯中心的距离为射流距离,射出的气体速度方向与管道轴线的夹角为射流开角。阀门开度和射流距离的关联见图13。由图可知,随着阀门开度的附加,射流距离减小,射流开角增大,且流速越高,射流距离越大,射流开角越小。在阀门开度达到40%原先,流速的充实对射流距离的影响比较明确,顶速度增长到一定水平之后,射流距离不再明显增长,如速度v5追加到速度v9时,射流距离的充实没有下v3到v5这就是说明显;顶阀门开度达到40%日后,射流距离已经减小到一定水平,这时再增加速度并未能明显增大射流距离,随着阀门开度的连续增大,射流距离开始缓慢回落,说到底消失。 hot88竞技官网

    阀门开度与射流距离的关联

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    希冀13 阀门开度与射流距离的关联 本文来自hot88竞技官网

    4 总结

    1. 射流距离与开度、流速关系密切,阀门开度越小,射流距离越大;流速越大,射流距离明显增长,但当流速达到v5日后,再追加流速就不能明显增长射流距离。
    2. 漩涡中心的转移受阀门开度影响,在低开度高流速工况下漩涡最为明显,阀门开度和流速都会影响漩涡中心的职位,在阀门开度40%原先,流速越大,漩涡越强烈;而阀门开度大于40%日后,漩涡逐渐减弱,漩涡面积开始扩散,但流速对流体产生之影响大幅度下降,持续增大流速会立竿见影漩涡加快消失。
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