油罐自力式液位控制閥流場分析

王 銘,張世富,張起欣,張冬梅,陳 暢

(中國人民解放軍后勤工程學院 a.研究生大隊； b.國家救災應急裝備工程技術(shù)研究中心；c.軍事供油工程系， 重慶 401331

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油罐自力式液位控制閥流場分析

王 銘a,張世富b,張起欣c,張冬梅b,陳 暢a

(中國人民解放軍后勤工程學院 a.研究生大隊； b.國家救災應急裝備工程技術(shù)研究中心；c.軍事供油工程系， 重慶 401331

為分析油罐自力式液位控制閥主閥關(guān)閥過程，對閥芯運動過程中的受力進行分析并建立微分方程，得出關(guān)閥過程中閥芯的速度及加速度公式，分析了關(guān)閥速度與閥門工作壓力、節(jié)流孔大小、閥芯內(nèi)腔平均直徑的關(guān)系。借助Fluent軟件對關(guān)閥過程中閥門的速度場和壓力場進行研究，并進一步分析了閥芯受力。研究結(jié)果對于主閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及錐閥閥芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有參考意義。

油罐；閥門；液位控制；受力分析；仿真

油料的液位控制一般指對儲液容器液位進行控制調(diào)節(jié)，使其保持在某一高度下，避免發(fā)生溢油及其他安全事故[1-3]。目前，各類液位控制裝置廣泛應用于油罐車、計量罐、地面及地下儲油罐等各類容器，在減小工人工作強度、保障生產(chǎn)安全方面發(fā)揮了巨大的作用，是現(xiàn)代油料生產(chǎn)及儲存計量中必不可少的裝置[4]。為解決液位控制問題，研制了一種全機械自力式高液位控制先導閥，并對其進行動力學分析，利用Fluent軟件對受控主閥關(guān)閥過程進行數(shù)值模擬。

1 高液位控制閥工作原理

高液位控制閥的工作原理如圖1所示。閥門正常工作時，手柄被拉至最右端，真空閥閥芯打開，啟閉導閥開啟。閥門入口處的高壓流體經(jīng)流道①進入真空閥，經(jīng)過文氏管時產(chǎn)生負壓，外界空氣經(jīng)氣道③進入真空閥，和流體一起經(jīng)流道⑥排出。由于氣道②與③聯(lián)通，真空執(zhí)行器的膜片右側(cè)氣室壓力下降較小，鋼珠受到真空執(zhí)行器殼體與錐芯軸的卡阻，與鎖桿位置被固定。主閥入口處流體經(jīng)節(jié)流孔進入閥芯內(nèi)腔，再由流道④、⑤流入主閥流道。在節(jié)流孔的節(jié)流減壓作用下，閥芯內(nèi)腔的壓力小于閥芯前液體的壓力，閥門一直處于打開的狀態(tài)。當受油油箱的液位達到氣道③的下沿時，氣道被阻塞，膜片右側(cè)氣室壓力下降，膜片帶動錐芯軸右移，鋼珠的卡阻消失，彈簧推動真空閥閥芯左移直至關(guān)閉。在手柄的作用下，鎖桿左移，同時啟閉導閥關(guān)閉，閥芯內(nèi)腔液體不再流動，其壓力與閥芯前端壓力相同，在主閥閥芯彈簧的作用下，閥芯上移直至閥門關(guān)閉。

2 關(guān)閥過程動力學分析

關(guān)閥過程從啟閉導閥完全關(guān)閉控制流道開始，閥芯前腔液體通過節(jié)流孔進入閥芯內(nèi)腔，液體在閥芯內(nèi)腔堆積，推動閥芯向右運動。主閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.主閥； 2.節(jié)流孔； 3.啟閉導閥 ；4.真空閥 ；5.手柄；

6.真空執(zhí)行器 ；7.錐芯軸 ；8.鋼珠； 9.鎖桿

圖1 高液位控制閥原理

圖2 主閥結(jié)構(gòu)

閥芯關(guān)閥運動方程[5-6]：

P2S2+Fk-P3S3-P1S1-Ft-

(1)

式中：P1、S1為閥芯前腔壓強(Pa)及受壓面積(m2)；P2、S2為閥芯內(nèi)腔壓強(Pa)及受壓面積(m2)；P3、S3為閥芯側(cè)腔壓強(Pa)及受壓面積(m2);Fk為彈簧彈力(N)；Ft為穩(wěn)態(tài)液動力(N)；Fw為瞬態(tài)液動力(N)；f為閥芯與閥體間的摩擦力(N)；M為閥芯質(zhì)量(kg);x為閥芯位移(m);β為黏性阻尼系數(shù)；t為關(guān)閥時間(s)。

(2)

瞬態(tài)液動力Ft是因油料流速和流動方向的變化作用在閥芯上的力，可根據(jù)動量方程求出：

(3)

式中：Q為主閥口流量(m3/s);α′為動量修正能系數(shù)，對于湍流一般取1。

閥門流量方程為

(4)

式中：C1為閥門的流量系數(shù)；A1為閥門出口的垂直過流面積(m2)；ΔP1為閥門前后壓差(Pa)，由閥門工作條件決定，假設(shè)閥門出口壓力為P0，則ΔP1=P1-P0； ρ為油料密度(kg/m3)。

根據(jù)閥芯頂部結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系，垂直過流面積為

(5)

式中：x0為閥門工作位置距關(guān)閥位置距離，即關(guān)閥總位移;θ為閥芯錐角。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，Q進=Q出，得出v進與v出的關(guān)系為

(6)

將式(4)、(6)代入式(3)，得出瞬態(tài)液動力的表達式：

(7)

根據(jù)閥芯前部錐形結(jié)構(gòu)，油料通過節(jié)流孔進入閥芯內(nèi)腔的流量為

(8)

式中：C2為節(jié)流孔的流量系數(shù)；A2為節(jié)流孔垂直過流面積(m2)；ΔP2為節(jié)流孔前后壓差(Pa)，等于P1-P2。

(9)

由于閥芯的運動速度很小，可以認為閥芯側(cè)腔的壓力P3與導壓孔處流道內(nèi)流體的壓力相同。取從閥門入口到導壓孔處的流道為控制體，主閥流量也可表示為

(10)

式中：C3為控制體的流量系數(shù)；A3為導壓孔處主閥流道的垂直過流面積(m2)；ΔP3為控制體前后壓差(Pa)，等于P1-P3。

將式(4)與式(10)聯(lián)立，得出：

P3=(1-k)P1+kP0

(11)

彈簧彈力

(12)

式中：x1為閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時彈簧的壓縮量；K為彈簧的彈性系數(shù)。

將式(7)、(8)、(9)、(11)、(12)代入式(2)可得

(13)

為簡化方程，令：

則式(2)可表示為

(14)

式(14)是二階非線性常微分方程，求解可得：

(15)

將式(15)對時間進行求導，得到加速度的表達式：

(16)

式(15)、 (16)說明：此高液位閥閥芯的在關(guān)閥過程中速度隨關(guān)閥行程不斷增加；關(guān)閥運動是一個受到多方面因素綜合影響的運動：閥芯內(nèi)腔平均直徑和閥芯的質(zhì)量越大，速度和加速度越小；閥門前后壓力和節(jié)流孔的面積越大，速度和加速度越大。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立模型及網(wǎng)格劃分

此閥門結(jié)構(gòu)較為復雜，為簡化計算，在仿真時利用二維模型代替三維結(jié)構(gòu)，對流動情況較為簡單的部位的結(jié)構(gòu)進行簡化，如閥芯側(cè)腔、閥芯內(nèi)腔等。利用Solidworks軟件建立二維模型，利用ICED軟件進行網(wǎng)格的劃分。閥芯內(nèi)腔采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，閥其余部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并在節(jié)流孔入口處設(shè)置interface，在流動情況較為復雜的流道入口處加密網(wǎng)格。模型采用動網(wǎng)格模擬，網(wǎng)格重構(gòu)采用Smoothing、Layering、Remeshing 3種方法。在Fluent軟件中對初始網(wǎng)格(圖3(a))進行預覽，得到關(guān)閥過程中各個時刻的網(wǎng)格劃分情況。關(guān)閥過程中幾個典型位置的網(wǎng)格情況如圖3所示。

3.2 基本控制方程

連續(xù)性方程：

(17)

式中：ρ為流體的密度(kg/m3) ;t為時間(s)；u、υ、ω為x、y、z方向的速度分量(m/s)。

動量方程：

(18)

(19)

(20)

式中:p為流體的靜壓強(Pa)；τij為應力張量的9個分量(Pa)，i、j分別可取x、y、z;f為體積力的3個坐標分量(N)。

能量方程：

(21)

圖3 關(guān)閥行程特殊位置網(wǎng)格

3.3 Fluent軟件自定義函數(shù)(UDF)的編寫與求解器參數(shù)設(shè)置

利用UDF宏DEFINE_CG_MOTION定義閥芯在每一個時間步的位移。閥芯單個時間步的速度增量可按式(17)進行計算：

dv=F·dt/M

(22)

式中：dv為dt時間內(nèi)閥芯速度的變化量；F為閥芯所受合力；dt為時間步長度；M為閥芯質(zhì)量。

設(shè)置靜態(tài)變量對速度變化量進行累加，利用速度與時間步長度的乘積定義單個時間步的位移。

利用UDF宏DEFINE_EXECUTE_AT_END定義在每個時間步的迭代計算完畢后輸出流量、壓力等相關(guān)的參數(shù)。

選擇基于壓力的分離求解器(SIMPLEC算法)作為模型求解器。選擇標準k-ε湍流模型，流體材料設(shè)置為水。導入自定義函數(shù)(UDF)，并以此定義相關(guān)區(qū)域為剛體(Rigid Body)運動。根據(jù)邊界運動設(shè)置deforming類型運動邊界。設(shè)置閥門入口為壓力入口邊界條件，根據(jù)閥門實際應用的壓力，設(shè)置入口壓力為106Pa。設(shè)置閥門出口為壓力出口邊界條件，壓力設(shè)置為105Pa，并將所有的interface進行配對。時間步設(shè)置為10-5s。其他設(shè)置采用默認值，初始化后進行計算。

3.4 仿真結(jié)果及分析

仿真得到了閥門流量隨關(guān)閥行程變化的曲線，如圖4所示，可見流量隨閥門開度的減小而減小。通過積分計算，得出關(guān)閥過程中的流量總計為0.022 5 m3。

圖4 閥門流量隨關(guān)閥行程變化關(guān)系

關(guān)閥行程中特殊位置的速度云圖如圖5所示。從圖中可以看出：在閥芯前腔關(guān)閥行程前期，最大速度出現(xiàn)在流道最為狹窄的區(qū)域；節(jié)流孔處速度較小，這是由于閥芯運動速度較慢，也說明了此閥關(guān)閥平穩(wěn)。從壓力云圖還可以看出：閥芯前腔壓力沒有出現(xiàn)大的波動。

圖5 關(guān)閥行程中特殊位置的速度云圖

仿真得到了閥芯所受合力隨關(guān)閥行程變化的曲線，如圖 6 所示。閥芯所受合力決定了其運動規(guī)律，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：閥芯所受合力隨關(guān)閥行程先上升后下降，并一直處于波動的狀態(tài)。這說明閥芯的運動為速度恒大于0的加速運動，加速度先增大后減小。在關(guān)閥過程中出現(xiàn)了水擊，但由于關(guān)閥速度較慢，所以壓力波動并不大。

壓力關(guān)閥行程中特殊位置的壓力云圖如圖7所示。從圖中可以看出：閥芯前腔和閥芯內(nèi)腔的壓力較高，這是由于閥門入口處的速度較小，所以壓降較??；壓力在流道入口前端開始下降，并隨著閥門的關(guān)閉下降越來越快，這是因為流道前端的局部阻力越來越大；閥芯內(nèi)腔的壓力與導壓孔外流體壓力基本保持一致，且在關(guān)閥過程中一直小于0，這是由于流道內(nèi)流體速度增大造成的。閥芯錐頂部平面壓力較大，明顯要高于錐角部分，從速度云圖(圖5)中也可以看出：由于受到與水流方向垂直的錐頂平面的阻礙，閥芯錐頂平面及前部區(qū)域速度較小，所以壓力相對于錐角部分小。閥門流道部位出現(xiàn)了極低的壓力，說明在流道處流體會發(fā)生氣化。

圖6 閥芯受力隨關(guān)閥行程變化

圖7 關(guān)閥行程中特殊位置的壓力云圖

4 結(jié)束語

通過理論分析及仿真，分析了主閥關(guān)閉過程中的流場及壓力情況，說明此自力式閥門能利用液體壓力自動關(guān)閥，且關(guān)閥平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)較大的壓力波動，不會因水擊損壞閥門結(jié)構(gòu)。閥芯的關(guān)閥運動方程表明：閥芯內(nèi)腔平均直徑和閥芯的質(zhì)量越大，閥芯速度和加速度越?。婚y門前后壓力和節(jié)流孔的面積越大，閥芯速度和加速度越大。Fluent軟件仿真結(jié)果表明：關(guān)閥過程出現(xiàn)了水擊，但壓力波動不大，說明可以適當增大節(jié)流孔直徑或減小閥芯質(zhì)量。

[1] 王繼承.液位報警器在密閉計量罐上的應用[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2013，33(3)：97.

[2] 斯建華.重油罐液位控制方案的改進[J].銅業(yè)工程,1999(2):17-19.

[3] 郭玉瓊.高線B潤滑站氣壓貯油罐液位控制的改進[J].浙江冶金,2003(4):49-51.

[4] 黃增進,梁朝旭.關(guān)于儲罐液位報警值設(shè)定的探討[J].廣東化工,2015,42(10):157-158.

[5] 張超.減速頂壓力閥的特性分析[J].減速頂與調(diào)速技術(shù)，2004，81(4)：3-6.

[6] 唐曉寅.工程流體力學[M].重慶：重慶大學出版社，2007.

(責任編輯 劉 舸)

Flow Field Analysis of Self-Operated High Level Control Valve of Oil Tank

WANG Minga, ZHANG Shi-fub, ZHANG Qi-xinc, ZHANG Dong-meib, CHEN Changa

(a.Graduate Student Brigade; b.Research Center of National Disaster Emergency Equipment Engineering Technology; c.Department of Military Oil Supply Engineering,Logistic Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China)

In order to study the shutoff process of high level valve for oil tank, the formula of the velocity and acceleration of the valve element, which is inferred from the analysis of forces executing on valve and differential equation, based on which the relationship between working pressure, orifice size, valve element lumen mean diameter and shutoff velocity of valve element were analyzed. Software Fluent was used to simulate the velocity and pressure field during the shutoff process. Further analysis of the force executing on valve element was done, which is of good value for the majorization of valve structure and the design of valve element of cone valve.

oil tank; valve; level control; force analysis; simulation

2016-11-28

王銘(1992—)，男，碩士研究生，主要從事工程流體力學研究，E-mail:1832778276@qq.com。

王銘,張世富,張起欣，等.油罐自力式液位控制閥流場分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(4):82-87.

format：WANG Ming, ZHANG Shi-fu, ZHANG Qi-xin,et al.Flow Field Analysis of Self-Operated High Level Control Valve of Oil Tank[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(4):82-87.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.04.013

TH816

A

1674-8425(2017)04-0082-06