基于FLUENT的通海閥蒸汽吹掃仿真分析

翁武秀　張高源　滕媛媛　李璐瑤

摘要：? 為研究蒸汽吹掃過(guò)程中在閥門(mén)關(guān)閉時(shí)其內(nèi)部的氣液流動(dòng)情況以及溫度場(chǎng)變化狀態(tài)，使用Ansys/FLUENT軟件分析閥門(mén)內(nèi)部的氣液兩相流和溫度場(chǎng)的變化，以此仿真高溫蒸汽排水和熱傳導(dǎo)的過(guò)程，并利用熱-流-固耦合進(jìn)一步分析蒸汽吹掃是否會(huì)對(duì)閥門(mén)密封性產(chǎn)生影響，從而探究蒸汽吹掃在解決閥門(mén)長(zhǎng)期水下工作時(shí)海生物吸附問(wèn)題，以及在低溫潮濕環(huán)境下去除霜凍凝露的可行性。

關(guān)鍵詞：? 通海閥; Ansys/FLUENT; 兩相流; 瞬態(tài)熱分析; 熱-流-固耦合

中圖分類(lèi)號(hào)：? TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? B

Simulation analysis of sea valve steam purge

based on FLUENT

WENG Wuxiu ZHANG Gaoyuan TENG Yuanyuan LI Luyao

（1. Shanghai Hudong Shipbuilding Valve Co.， Ltd.， Shanghai 201913， China;

2. Logistics Engineering College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract： In order to study the gas-liquid flow and temperature field change in the valve when it is closed in the process of steam purge， Ansys/FLUENT is used to analyze the gas-liquid two-phase flow and temperature field change， and to simulate the process of high-temperature steam drainage and heat conduction. Furthermore， the thermal-fluid-structure coupling is used to further analyze whether the steam purge will have an impact on the valve sealing， and to study the feasibility of steam purge in solving the problem of marine biological adsorption when it works undersea for a long time， and in removing frost and condensation in low temperature and humid environment.

Key words： sea valve; Ansys/FLUENT; two-phase flow; transient thermal analysis; thermal-fluid-structure coupling

基金項(xiàng)目：? 2020年度上海市JMRH發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金科技創(chuàng)新支持項(xiàng)目（2020-jmrh1-jk32）

作者簡(jiǎn)介： 翁武秀（1982—），男，福建福清人，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程，（E-mail）wwx_2021@163.com;

張高源（1998—），男，山西大同人，碩士研究生，研究方向?yàn)榱鳠峁恬詈戏治?，（E-mail）569832340@qq.com0引言

通海閥在海洋環(huán)境中使用，很容易被小型貝殼類(lèi)海洋生物吸附，堵塞閥瓣運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響閥門(mén)的正常使用;當(dāng)閥門(mén)處于長(zhǎng)期關(guān)閉狀態(tài)和低溫潮濕環(huán)境中時(shí)，容易產(chǎn)生霜凍凝露，固結(jié)手輪螺紋套，使閥門(mén)無(wú)法正常動(dòng)作，需要外部力量輔助開(kāi)合閥門(mén)。

通過(guò)定期蒸汽吹掃可以去除通海閥表面吸附不久的海洋生物并破壞海洋生物的穩(wěn)定生存環(huán)境，保障閥門(mén)正常工作;在通入蒸汽的過(guò)程中，熱蒸汽持續(xù)停留在閥體內(nèi)部，與閥體腔內(nèi)海水和閥體本身進(jìn)行熱交換，有效去除霜凍凝露。在閥門(mén)內(nèi)部通入熱蒸汽后，會(huì)導(dǎo)致密封圈變形，因此需要對(duì)閥門(mén)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，檢驗(yàn)蒸汽吹掃是否對(duì)密封性造成不利影響。

本文研究涉及多個(gè)閥門(mén)口徑，直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高，且容易受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)所、檢測(cè)精度以及人工操作等因素的影響，理論分析對(duì)計(jì)算對(duì)象的抽象和簡(jiǎn)化又易造成模型的精度損失，而CFD方法利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，可以克服前面2種方法的不足，并且具有邊界參數(shù)調(diào)整方便、實(shí)驗(yàn)環(huán)境理想、實(shí)驗(yàn)周期短等特點(diǎn)[1]。當(dāng)然，CFD方法計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，且其采用的網(wǎng)格法降低實(shí)驗(yàn)精度，計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況不符，因此需要在仿真之外進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以配合驗(yàn)證仿真結(jié)果。本文在仿真研究中對(duì)多個(gè)口徑的閥門(mén)均進(jìn)行計(jì)算，由于計(jì)算過(guò)程和結(jié)論相似，故本文主要介紹DN50通海閥的仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

1實(shí)體模型建立

DN50通海閥模型由通海閥和吹洗閥2部分組成（見(jiàn)圖1）。通海閥由閥體、閥盤(pán)、閥蓋、閥桿、螺紋套和手輪等部分組成，按照實(shí)際安裝順序裝配好，并處于常閉狀態(tài)。強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)壓力為0.6 MPa、時(shí)間≥10 min，密封實(shí)驗(yàn)壓力為0.44 MPa，時(shí)間≥2 min。吹洗閥為青銅截止閥。蒸汽吹掃使用NBS-12 kW蒸汽發(fā)生器，飽和蒸汽溫度171 ℃、額定工作壓力0.7 MPa、額定蒸發(fā)量16 kg/h。工作時(shí)蒸汽接到吹洗閥上，溫度調(diào)至140 ℃、工作壓力調(diào)至0.3 MPa。

通海閥模型見(jiàn)圖2。建模時(shí)需建立通氣管模型，以便雙向流分析時(shí)進(jìn)行計(jì)算緩沖，穩(wěn)定后易于收斂。

2流場(chǎng)分析

2.1網(wǎng)格劃分

由于閥門(mén)是關(guān)閉的，蒸汽由通氣管通入吹洗閥，

將閥體內(nèi)部水排出，流場(chǎng)主要存在于吹洗閥和閥體下腔內(nèi)部，因此可以簡(jiǎn)化計(jì)算，選取通氣管、吹洗閥和閥體下腔內(nèi)部作為流場(chǎng)域，并劃分網(wǎng)格（見(jiàn)圖3）。模型網(wǎng)格的最小正交質(zhì)量為1.909 34×10^-1，最大縱橫比為63.486 5，節(jié)點(diǎn)476 869個(gè)，單元154 294個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量可以滿足仿真要求[2]。

2.2邊界條件設(shè)定

模型的進(jìn)、出口見(jiàn)圖4，取1相為蒸汽，2相為水。進(jìn)口1相表壓力為0.3 MPa，溫度為140 ℃，2相體積分?jǐn)?shù)為0;出口1相表壓力為0，2相表壓力為0.1 MPa，溫度為0 ℃，回流體積分?jǐn)?shù)取1[3]。由于有細(xì)長(zhǎng)管道，而且涉及熱傳導(dǎo)率的共軛問(wèn)題，單精度求解器不能有效地傳導(dǎo)邊界信息[4]，為提高計(jì)算精度，選擇雙精度求解器;模型設(shè)置為volume of fluid，計(jì)算涉及表面張力，為提高計(jì)算收斂性，密度求解器采用隱式格式，時(shí)間選用瞬態(tài)[5];其他采用默認(rèn)值，同時(shí)考慮重力加速度影響。當(dāng)熱蒸汽通入閥門(mén)時(shí)，閥門(mén)內(nèi)部的排水過(guò)程中會(huì)形成旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，而常用的k-ε模型并不適合模擬旋轉(zhuǎn)流動(dòng)[6]，因此選用k-ω模型。壓力求解器使用耦合式算法（FLUENT提供的是coupled算法）。

2.3計(jì)算結(jié)果

通過(guò)后處理可得兩相流體積占比和溫度場(chǎng)動(dòng)畫(huà)，反映流體域內(nèi)氣液兩相流動(dòng)和熱交換情況。如圖5所示，第2 209步熱蒸汽將海水全部排出。仿真結(jié)果說(shuō)明蒸汽排水的方法可行，通過(guò)吹掃造成氣液流動(dòng)，可以去除表面剛吸附的海生物;通過(guò)高溫破壞海生物的生存環(huán)境，可達(dá)到避免海生物吸附的目的。

3瞬態(tài)熱分析

3.1網(wǎng)格劃分

瞬態(tài)熱分析需要對(duì)通海閥的所有部分進(jìn)行分析計(jì)算，因此對(duì)完整模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格尺寸為0.005 m，有節(jié)點(diǎn)280 305個(gè)，單元149 263個(gè)。

3.2熱交換定義

通入蒸汽且排水完成后并不會(huì)立即停止通蒸汽，而是繼續(xù)保持一段時(shí)間，因此在通海閥上會(huì)有與外部媒介的對(duì)流換熱和自身的熱傳導(dǎo)過(guò)程。

固流之間的對(duì)流換熱采用以下公式：

Q_α=αA（T_w-T_f） （1）

q_α=α（T_w-T_f） （2）

式中：Q_α為單位時(shí)間內(nèi)的對(duì)流換熱量，W;q_α為單位時(shí)間單位面積的對(duì)流換熱量W/m²;T_w為固體壁面溫度，℃;T_f為流體溫度，℃;α為對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m²·℃）;A為對(duì)流換熱面積，m²。

固體不同部位溫度也有差異，根據(jù)傅里葉定律，熱傳導(dǎo)公式[7]為：Qλ=-λAaT/an （3）

q_λ=Qλ/A=-λaT/an （4）

式中：Q_λ為熱流量，W;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）;q_λ為單位面積的熱流量，W/m²;T為溫度，℃;A為面積，m²。

在前處理中將模型分為4部分，分別為閥體上腔、下腔、外壁和吹洗閥等。吹洗閥和閥體下腔內(nèi)部充滿蒸汽，閥體上腔內(nèi)部充滿水（見(jiàn)圖7）。

通入的蒸汽與吹洗閥和閥體下腔內(nèi)壁對(duì)流換熱，水與閥體上腔內(nèi)壁對(duì)流換熱，整個(gè)閥門(mén)外壁與外部空氣對(duì)流換熱，通海閥本身有熱傳導(dǎo)過(guò)程。

為模擬低溫潮濕環(huán)境下產(chǎn)生的霜凍凝露現(xiàn)象，將環(huán)境溫度設(shè)為0。為去除霜凍凝露，向閥體內(nèi)源源不斷通入蒸汽時(shí)，由兩相流分析可知，吹洗閥和閥體下腔內(nèi)壁溫度持續(xù)保持140 ℃。為簡(jiǎn)化計(jì)算，可以忽略蒸汽與吹洗閥和閥體下腔內(nèi)壁的對(duì)流換熱，設(shè)置閥體上腔內(nèi)壁與水的對(duì)流換熱系數(shù)為1 200 W/（m²·℃），閥門(mén)外壁與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/（m²·℃）。

3.3計(jì)算結(jié)果

設(shè)置求解時(shí)間為600 s，通海閥整體溫度場(chǎng)見(jiàn)圖8，整體的最低溫度達(dá)到63 ℃，可以去除霜凍凝露。在工作時(shí)需最快速去除手輪螺紋套霜凍固結(jié)，以擰動(dòng)手輪，便于閥門(mén)正常打開(kāi)，因此要著重記錄螺紋套處的溫度變化（見(jiàn)圖9）。該處在50 s時(shí)已達(dá)到1 ℃，高于冰點(diǎn)，解除固結(jié)。

4穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析

4.1前處理

為研究通入蒸汽后是否會(huì)對(duì)閥門(mén)的密封性產(chǎn)生影響，需要進(jìn)行穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析。穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析所用模型和網(wǎng)格與瞬態(tài)熱分析相同。通海閥依靠法

蘭與船上管路連接固定，因此約束應(yīng)設(shè)置在法蘭內(nèi)部的管接頭處（見(jiàn)圖10）。考慮熱-流-固耦合作用，需將前述流場(chǎng)計(jì)算的壓力和瞬態(tài)熱分析的溫度結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)場(chǎng)中。

4.2計(jì)算結(jié)果

每次蒸汽吹掃的時(shí)間最多600 s。如圖11所示，通海閥密封圈處的變形量約為0.001 mm，遠(yuǎn)小于工程上設(shè)定的許可變形量，說(shuō)明蒸汽吹掃不會(huì)對(duì)通海閥的密封性造成不利影響。

5試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在青島海水環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)地使用3組DN125口徑的通海閥進(jìn)行為期3個(gè)月的對(duì)照試驗(yàn)。A組閥累計(jì)吹掃11次，B組閥累計(jì)吹掃3次，C組閥未進(jìn)行吹掃處理。

3個(gè)月后，A組閥未在閥內(nèi)發(fā)現(xiàn)附著海生物，但是由于通入熱蒸汽原因，A組閥在閥內(nèi)形成多處銅綠（見(jiàn)圖12）;B組閥未在閥內(nèi)發(fā)現(xiàn)附著海生物，在閥內(nèi)形成少量銅綠;C組閥閥底發(fā)現(xiàn)附著海生物，未形成明顯銅綠。

另外，將通海閥放在露天潮濕環(huán)境中，表面形成霜凍凝露后進(jìn)行蒸汽吹掃，觀察去除霜凍凝露的效果。共進(jìn)行3次試驗(yàn)，蒸汽吹掃前后通海閥表面上濕下干;蒸汽吹掃約1 min后，手輪可擰動(dòng);約5 min后，通海閥由底部至頂部凝露逐漸去除。

6結(jié)論

（1）流場(chǎng)分析結(jié)果說(shuō)明，蒸汽吹掃可以排空閥體內(nèi)部海水，達(dá)到破壞海生物生長(zhǎng)環(huán)境的目的，但熱蒸汽會(huì)加速通海閥腐蝕形成銅綠。試驗(yàn)證明，每月1次吹掃最為合適。

（2）瞬態(tài)熱分析結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)通海閥由于霜凍凝露無(wú)法開(kāi)合時(shí)，吹掃1 min后即可開(kāi)關(guān)通海閥。

（3）穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析結(jié)果說(shuō)明，蒸汽吹掃所造成的密封圈變形遠(yuǎn)小于工程許可變形，不會(huì)對(duì)通海閥的密封性造成不利影響。參考文獻(xiàn)：

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