超高壓平板閘閥流場數(shù)值模擬及流阻特性分析

韓 晟,韓 棟,吳 晗

(江蘇蘇鹽閥門機械有限公司,江蘇 鹽城 224500)

0 引言

平板閘閥以其優(yōu)越的流量調(diào)節(jié)能力,廣泛應(yīng)用于管線系統(tǒng),其突出的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單且流阻較小,目前越來越多地應(yīng)用于石油、天然氣的輸送。在超高壓工況下,平板閘閥能夠在強大的壓力下保持封閉狀態(tài),防止介質(zhì)的流通或泄露。而且平板閘閥使用便捷,容易掌控,在各種強壓類型的工程系統(tǒng)中被廣泛使用[1]。

閥門中流體的流動問題極其復(fù)雜,很難得到流場的解析解。隨著數(shù)值方法的不斷完善和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,計算流體力學(CFD)成為流場分析的重要工具,其具有很高的可視化程度,且準確性較高,在閥門的設(shè)計優(yōu)化中發(fā)揮著越來越重要的作用[2-3]。

穆巖等[4]利用CFD方法對閘閥進行流動特性分析與流道優(yōu)化設(shè)計,得到了優(yōu)化后閘閥的速度場與壓力場。李艷等[5]運用數(shù)值模擬方法分析了平板閘閥的受力狀態(tài),并進行了結(jié)構(gòu)改進。

本文以某公司生產(chǎn)的PFF180-140-00超高壓平板閘閥為研究對象,采用流體分析軟件研究該平板閘閥在不同開度下的流場特性與流阻特性。

1 超高壓平板閘閥模型

本文所研究的超高壓平板閘閥,其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示,超高壓井口閘閥由閥桿護套、手輪、止推軸承、閥桿螺母、閥桿、軸承座、閥蓋、閥體、閥板、閥座、尾桿等組成。其中,閥板與閥桿利用T型槽掛接,閥板與閥座靠波形彈簧相互自由貼緊。當順(逆)時針旋轉(zhuǎn)手輪時,手輪帶動銅螺母旋轉(zhuǎn),閥桿向下(上)移動,從而帶動閥板下(上)行[6]。

圖1 超高壓平板閘閥

2 閥門的流阻特性

閥門的壓降表示的是閥門進出口兩端的壓力差,代表著流體流過閥門的能量損失,用ΔP表示,其計算公式為:

式中:前一項代表閥門進出口的靜壓差;后一項代表閥門進出口的動壓差。

閥門的開度影響著介質(zhì)通過流量的大小,工程實際中常用流量系數(shù)評價閥門的流通能力,其定義為閥門前后壓差在105Pa時,溫度為5～40 ℃的水每小時通過閥門的立方米數(shù),用KV表示,KV值越大,表示其流通能力越好。其計算公式如下[7]:

式中:Q為流體介質(zhì)的體積流量,計算方法為v,m3/h;ρ為流體介質(zhì)的密度,kg/m3;ΔP為閥門兩端壓差102Pa。

當流體介質(zhì)通過閥門時,在閥門過流截面的節(jié)流作用下,閥門內(nèi)部及其下游流場會產(chǎn)生一系列的流體旋渦,造成流體流速的不均勻,增加了局部能量損失。工程上普遍采用阻力系數(shù)來描述閥門對流體的阻礙程度,其數(shù)學表達式為:

式中:ξ為阻力系數(shù);γ為流體密度與基準流體(水)密度的比值,即相對密度;為管道中流體介質(zhì)的平均流速,m/s。

3 閘板的模型建立

3.1 網(wǎng)格模型的建立

流體分析中,只需要建立流道模型,根據(jù)模型尺寸,閥體的進口直徑為180 mm,閘板厚度為80 mm。閥板將整個流道分為3個部分,即閥前流道、閥板處流道與閥后流道。建立的網(wǎng)格模型如圖2所示,其中為了保證進出口流場的平穩(wěn)性,閥前流道與閥后流道均做了加長處理。

圖2 流道網(wǎng)格模型

3.2 求解方法及邊界條件

網(wǎng)格模型建立完成后,利用計算流體力學軟件做流場分析,設(shè)置分析介質(zhì)為水,其密度為1000 kg/m3。湍流模型采用標準的k-ε模型,壁面條件采用標準無滑移壁面。差分方法采用coupled耦合,邊界條件采用速度進口與壓力出口,迭代步數(shù)為500步,流體的進口速度為12 m/s。為了研究閘板開度對閥門流場特征與流阻特性的影響,建立閘閥在多個開度下的流道模型,開度分別為25%,35%,50%,65%,75%。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 開度對速度場的影響

數(shù)值計算收斂后,提取閥門各個開度(25%,35%,50%,65%,75%)下的速度場,得到的速度云圖如圖3所示。

圖3 速度云圖

從圖3可以看出,流體在流過閥門的過程中,閥板處流體速度急劇增大,這是由于閥板的存在使得流體的通流面積減小,閥板處流場流速增大。流場中流體的最大流速隨著閥門開度的增大而逐漸減小。另外,從圖3可以看到,在閥板的后方上部,流場存在明顯的低速區(qū),該區(qū)域流體速度遠低于流場的其他部分,且流場低速區(qū)的范圍隨著閥板開度的減小而逐漸增大。

4.2 開度對壓力場的影響

該閘閥在5個開度(25%,35%,50%,65%,75%)下的壓力云圖見圖4。

從圖4可以看出,流體的壓力場從閥板處發(fā)生明顯改變,這是因為流體在通過閥板時,由于渦流的產(chǎn)生,增加了壓力的損失,使得閥板處與閥板后流場壓力降低。從圖4還可以看出,隨著閥板開度的增大,閥板后方流體的壓力場逐漸呈現(xiàn)帶狀分布。從數(shù)值上來看,出口段的壓力要小于進口段的壓力,且隨著閥板開度的增加,減小的趨勢逐漸變小。這說明隨著閥板開度的增加,流體的壓降也逐漸減小。為了更加深入地研究閥板開度與閥門進出口壓降之間的關(guān)系,提取閥板不同開度下進出口的總壓,計算差值得到壓 降隨開度的變化關(guān)系如圖5所示。

圖4 壓力云圖

圖5 壓降隨開度的變化規(guī)律

從圖5可以看出,閥門進出口兩端的壓差隨著閥門開度的增大逐漸減小,且減小的速度逐漸變慢。當閥板開度達到75%以上時,閥門進出口壓降趨近于零。

4.3 開度對閥門流阻特性的影響

工程實際中常用流量系數(shù)KV評價閥門的流通能力,用阻力系數(shù)ξ來描述閥門對流體的阻礙程度。依據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果,通過公式(2)(3)計算得到閥板不同開度下的流量系數(shù)與阻力系數(shù),如圖6和7所示。

圖6 流量系數(shù)隨開度的變化規(guī)律

從圖6可以看出,隨著閥門開度的增加,閥門的流量系數(shù)逐漸增大,且增加速度逐漸變快。而阻力系數(shù)卻與之相反,隨著閥門開度的增加,閥門的阻力系數(shù)逐漸減小,且減小的速度逐漸變慢(見圖7)。

圖7 阻力系數(shù)隨開度的變化規(guī)律

5 結(jié)語

(1)流體在流過閥門的過程中,閥板處流體速度急劇增大,流場中流體的最大流速隨著閥門開度的增大而逐漸減小。在閥板的后方上部存在低速流場,該處流體速度遠低于流場的其他部分,且低速流場的范圍隨著閥板開度的減小而逐漸增大。

(2)隨著閥板開度的增大,閥板后流體的壓力場逐漸呈現(xiàn)帶狀分布,閥門進出口兩端的壓差隨著閥門開度的增大逐漸減小,且減小的速度逐漸變慢。

(3)隨著閥門開度的增加,閥門的流量系數(shù)逐漸增大,且增加速度逐漸變快。而阻力系數(shù)卻與之相反,隨著閥門開度的增加,閥門的阻力系數(shù)逐漸減小,且減小速度逐漸變慢。

(編輯 王永超)