石油模擬井流量調(diào)節(jié)閥流量特性與參數(shù)優(yōu)化

付海龍 荊冠鵬 賈光政 Marius Petrescu 許蘭波

（1.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院；2.羅馬尼亞石油天然氣大學(xué)；3.中國石油大慶煉化公司電儀運行中心）

流量調(diào)節(jié)閥的流量特性與壓降特性是反映調(diào)節(jié)閥性能的重要指標(biāo)，在石油模擬井實驗系統(tǒng)中，流量調(diào)節(jié)閥的這些特性影響著實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實驗質(zhì)量［1］。 目前，對于流量調(diào)節(jié)閥的研究多集中在閥芯與流場的關(guān)系、 閥芯形面與流量特性的關(guān)系等閥芯流動特性改善方面［2～5］，而針對節(jié)流口影響流量調(diào)節(jié)閥特性的研究較少。 筆者采用數(shù)值模擬方法對自主設(shè)計的模擬井流量調(diào)節(jié)閥的節(jié)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬， 找到節(jié)流口參數(shù)與調(diào)節(jié)閥特性的關(guān)系。 通過對節(jié)流口反饋設(shè)計與局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步優(yōu)化流量調(diào)節(jié)閥流量特性和壓降特性。

1 流量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)

流量調(diào)節(jié)閥主體包含位移傳感器（用以檢測閥芯開度）、驅(qū)動機構(gòu)、流量調(diào)節(jié)機構(gòu)和步進(jìn)電機（圖1a）。 驅(qū)動機構(gòu)由蝸輪蝸桿減速機構(gòu)、螺旋絲杠螺母傳動機構(gòu)和絲杠限位帽（用以防止絲杠發(fā)生轉(zhuǎn)動）組成；流量調(diào)節(jié)機構(gòu)由閥蓋、閥體、過流導(dǎo)向套、閥芯和閥座組成（圖1b），采用周向均布軸向矩形節(jié)流口，它是軸向隙縫節(jié)流口的一種改進(jìn)，節(jié)流口均布于過流導(dǎo)向套上。

圖1 流量調(diào)節(jié)閥三維模型

通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥閥芯位移實現(xiàn)節(jié)流口開度調(diào)節(jié)從而達(dá)到流量調(diào)節(jié)的目的。 流量調(diào)節(jié)閥最重要的性能指標(biāo)之一是它的流量特性，其流量特性取決于它固有的流量特性，而過流結(jié)構(gòu)決定了調(diào)節(jié)閥固有的流量特性［6］；流量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)精度與穩(wěn)定性取決于壓降特性，壓降特性不穩(wěn)定則會造成調(diào)節(jié)閥小開度調(diào)節(jié)波動、調(diào)節(jié)響應(yīng)慢及閥芯定位精度差等問題［7，8］。

2 節(jié)流口工作特性

2.1 節(jié)流口參數(shù)

流量調(diào)節(jié)閥節(jié)流口結(jié)構(gòu)如圖2a所示，節(jié)流口面積是隨閥芯位移變化而變化的矩形槽面積，節(jié)流口總面積是過流導(dǎo)向套上單個矩形開槽面積的總和。 建立節(jié)流口模型時，忽略曲率變化和壁厚的影響，因此可將節(jié)流口視為平面矩形薄壁小孔進(jìn)行討論，節(jié)流口展開結(jié)構(gòu)如圖2b所示。 流體受到錐端面閥芯的導(dǎo)向會沿錐閥錐面流入節(jié)流口，在這之前節(jié)流口前端的過流截面面積是閥芯與閥座間形成的錐環(huán)N1M1N2M2的面積As， 節(jié)流口面積Ar（Ar=nbl）是閥芯開度為l時對應(yīng)的矩形開槽面積（圖中紅色矩形部分），其中n為節(jié)流口數(shù)量、b為節(jié)流口寬度。

圖2 流量調(diào)節(jié)閥節(jié)流口結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 流量特性

當(dāng)考慮流量調(diào)節(jié)閥安裝在水平管道、壓力損失為hf時，由流體伯努利方程可得：

式中 A——調(diào)節(jié)閥通徑面積，cm2；

Kr——流量系數(shù)；

Δp——平均節(jié)流壓差，kPa；

ρ——流體密度，g/cm3。

由式（5）可知，節(jié)流口出口流量受到節(jié)流口數(shù)量、寬度、開度和節(jié)流壓差的影響，通過改變節(jié)流口尺寸可以改變調(diào)節(jié)閥的流量特性，但當(dāng)參數(shù)與節(jié)流壓差確定后， 節(jié)流口流量即為開度的函數(shù)，若要保證節(jié)流口流量線性變化就應(yīng)保證在節(jié)流口開度變化時壓差線性變化。

2.3 壓降特性

若要保證節(jié)流口開度變化時壓差線性變化，就應(yīng)設(shè)計出具有線性壓降特性的閥芯結(jié)構(gòu)。 保證壓降均勻變化就是要使閥芯輪廓曲線滿足壓力線性變化方程［9］：

根據(jù)圖2a中的幾何關(guān)系可以得出閥芯過流截面面積表達(dá)式為：

式中 Dn——閥芯直徑，cm；

L——閥芯最大位移，cm；

Δpmax——最大節(jié)流壓差，取值為100kPa；

α——壓差系數(shù)；

σ——閥芯半錐角，（°）。

閥芯輪廓線與等值面曲線相切，因此可根據(jù)?As/?σ=0求解式（8），得出滿足線性壓降特性的閥芯輪廓曲線。

3 流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場數(shù)值模擬

3.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

依據(jù)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)運用Solidworks軟件建立內(nèi)部流場模型（圖3），節(jié)流口數(shù)量為4、寬度為2mm。 使用面向計算流體力學(xué)的前處理器軟件ICEM CFD對內(nèi)部流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格增長因子為1，最大網(wǎng)格尺寸為0.9，網(wǎng)格總數(shù)433 901，節(jié)點數(shù)77 206，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.3。運用Fluent軟件進(jìn)行內(nèi)部流場數(shù)值模擬，數(shù)值模擬計算模型和求解方法分別采用k-ε計算模型和Simple算法。

圖3 流量調(diào)節(jié)閥流體域網(wǎng)格模型

3.2 流場數(shù)值模擬分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.2.1 閥內(nèi)部流場數(shù)值模擬

以調(diào)節(jié)閥入口壓力10MPa、50%閥芯開度為例進(jìn)行流場特性分析說明，該工況下調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場對稱截面壓力、速度跡線云圖如圖4所示。

圖4 閥內(nèi)部流場數(shù)值模擬圖

由圖4a可知， 調(diào)節(jié)閥壓降線性變化明顯，具有良好的壓降特性。 節(jié)流口處流道面積變化產(chǎn)生局部高壓區(qū)，在流體流出節(jié)流口過程中，節(jié)流口下端靠近入口端出現(xiàn)了低壓區(qū)，高壓區(qū)與低壓區(qū)在軸向上非梯度均勻變化。 流體流過節(jié)流口時，流體由于慣性會沿節(jié)流口的銳邊切線流出，導(dǎo)致流體流動軸線突變并降低流體流通能力。 低壓區(qū)的出現(xiàn)與流體流通不暢有關(guān)，并且會增加氣穴形成的幾率［10，11］。

由圖4b可知， 調(diào)節(jié)閥入口端流體流動平穩(wěn)，節(jié)流口處流速驟增。 節(jié)流口銳邊處流線收縮，流體出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)流動，流速驟減。 由速度矢量箭頭標(biāo)識可知， 流體速度與方向在銳邊處發(fā)生突變，這進(jìn)一步說明低壓區(qū)的產(chǎn)生與流體流動不暢有關(guān)［12］，且會導(dǎo)致流體對過流導(dǎo)向套產(chǎn)生沖擊、形成湍流，因此需要對節(jié)流口進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.2.2 節(jié)流口結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高壓流體沿節(jié)流口銳邊切線方向射出，從而導(dǎo)致原本在同一條軸線上流動的流體發(fā)生流向偏折，進(jìn)而在銳邊附近極易產(chǎn)生高速渦流，最終導(dǎo)致節(jié)流口下端靠近入口端出現(xiàn)了低壓區(qū)。 為了減弱節(jié)流口銳邊所產(chǎn)生的流體流通受阻現(xiàn)象，需對節(jié)流口銳邊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 利用機械加工制造時對銳邊進(jìn)行倒角、圓角處理的工藝優(yōu)點，對節(jié)流口銳邊進(jìn)行倒角、圓角優(yōu)化，以有效防止高速流體在流動過程中出現(xiàn)水力割裂現(xiàn)象，對比兩種優(yōu)化方式，以評價其減輕水力割裂、降低流阻的效果。 節(jié)流口經(jīng)倒角、圓角優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 節(jié)流口結(jié)構(gòu)倒角、圓角工藝優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.3 優(yōu)化后閥內(nèi)部流場數(shù)值模擬

減少流體介質(zhì)對節(jié)流閥閥內(nèi)流道的沖擊是調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要指標(biāo)［13］，為了減少節(jié)流口局部壓力損失呈現(xiàn)無規(guī)則變動，則需要減小流阻系數(shù)、增加流體流動性，避免銳邊或流體截面突變。 筆者將節(jié)流口銳邊分別進(jìn)行倒角和圓角優(yōu)化，通過數(shù)值模擬分別討論不同優(yōu)化形式的優(yōu)缺點。 以調(diào)節(jié)閥入口壓力10MPa， 閥芯開度40%時為例，節(jié)流口經(jīng)倒角優(yōu)化、圓角優(yōu)化后流場數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

由圖6a可知，節(jié)流口采用倒角優(yōu)化后低壓區(qū)面積減小，說明非銳角邊節(jié)流口有利于增強過流孔流通能力，減少負(fù)壓區(qū)的產(chǎn)生，這有助于減小氣穴效應(yīng)發(fā)生的幾率［14，15］；由圖6b可知，節(jié)流口采用圓角優(yōu)化后低壓區(qū)面積進(jìn)一步減小，說明圓角過流口有利于減小流阻系數(shù)、 加速流體過流；由圖6c、d可知，直線倒角與圓角節(jié)流口均具有良好的流通特性，并且可以減少在閥體壁面流體發(fā)生反射并產(chǎn)生渦旋；由速度矢量箭頭可知，圓角節(jié)流口可以更好地減弱流體附壁流動現(xiàn)象，增加流體通過率。

圖6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場數(shù)值模擬圖

對采用倒角、圓角優(yōu)化的節(jié)流口進(jìn)行數(shù)值模擬，分別取節(jié)流壓差2、10、20MPa 3種壓力環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)閥出口平均流速對比分析（圖7），進(jìn)而對減輕流阻效果進(jìn)行分析說明； 取10MPa壓力環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)閥出口平均流量對比分析，進(jìn)一步對兩種節(jié)流口優(yōu)化形式的效果進(jìn)行對比（圖8）。

圖7 優(yōu)化前、后節(jié)流口出口平均流速對比曲線

圖8 10MPa壓差時開度-出口流量對比曲線

由圖7可知，不論在何種壓差環(huán)境下，當(dāng)開度小于50%時， 節(jié)流口圓角優(yōu)化具有最高的調(diào)節(jié)閥出口流速，但當(dāng)開度超過50%時，不同形式的節(jié)流口對于增強調(diào)節(jié)閥出口流速的效果并無較大差異。 調(diào)節(jié)閥出口流速增強說明調(diào)節(jié)閥流通特性的增強，因此可以得出結(jié)論：當(dāng)節(jié)流壓差一定、調(diào)節(jié)閥開度小于50%時，圓角、倒角優(yōu)化的節(jié)流口均可以減小節(jié)流口流動阻力， 增強內(nèi)部流場流通能力，而圓角優(yōu)化可以最大限度減小流阻，增強流體通過率。

由圖8可知， 節(jié)流口優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥流量與開度呈線性變化規(guī)律。 節(jié)流口倒角、圓角優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥流量調(diào)節(jié)范圍擴大， 流量與開度線性度更好；節(jié)流口圓角優(yōu)化后流量調(diào)節(jié)范圍、線性度進(jìn)一步得到優(yōu)化。 調(diào)節(jié)閥出口流量的增加說明節(jié)流口優(yōu)化會釋放受節(jié)流口銳邊阻礙的流體，調(diào)節(jié)閥出口流量線性度的增加說明節(jié)流口優(yōu)化會增加調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，進(jìn)而說明倒角、圓角優(yōu)化可以減輕由渦流引起的流量波動。 結(jié)合圖7的分析結(jié)論可知，優(yōu)化節(jié)流口銳邊可以增加流體流通能力且優(yōu)化調(diào)節(jié)閥流量特性。

4 結(jié)論

4.1 利用Solidworks軟件進(jìn)行石油模擬井實驗系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計的流量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)簡單、互換性強，且具有較高的定位精度和調(diào)節(jié)精度。

4.2 通過數(shù)學(xué)建模，完成節(jié)流口與調(diào)節(jié)閥流量特性、壓降特性關(guān)系研究，獲得的閥芯曲面方程實現(xiàn)了調(diào)節(jié)閥壓降線性特征的準(zhǔn)確描述。

4.3 針對節(jié)流口銳邊區(qū)域易產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)、渦流等問題，采用流場數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究，認(rèn)為節(jié)流口銳邊是導(dǎo)致負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生的因素，并且會使高速流體易發(fā)生水力割裂、 增加流阻與流速突變。 研究發(fā)現(xiàn)節(jié)流口倒角、圓角處理可以有效減小負(fù)壓區(qū)面積、流阻與流動截面突變，其中圓角優(yōu)化對于節(jié)流口銳邊效應(yīng)具有最優(yōu)效果。

4.4 基于制造工藝的節(jié)流口優(yōu)化過程，對直線倒角與圓角工藝設(shè)計還應(yīng)考慮具體工況，過大的直線倒角不僅無法優(yōu)化流道參數(shù)，而且更可能加劇流體流動方向變化，造成能量損失和閥腔內(nèi)壓紊亂。 因此，在節(jié)流口優(yōu)化設(shè)計過程中還應(yīng)考慮避免尺寸優(yōu)化過度引起的調(diào)節(jié)閥工作特性 “負(fù)優(yōu)化”情況。