帶有蝶閥管道固-液兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬*

褚 澤,朱 鈺,白錦軍,高 勇**,王戰(zhàn)輝,陳 科

(1.重慶菲力特機(jī)電工程有限公司,重慶 400039;2.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司,重慶 400039;3.四川省兩江港航建設(shè)有限公司,四川 成都 400000;4.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院,陜西 榆林 719000)

蝶閥在裝備制造業(yè)中有著極其重要的作用,被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),如石油開(kāi)采、石油提煉、化學(xué)工業(yè)、農(nóng)林業(yè)等行業(yè)[1-3]。目前,雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)閥門(mén)管道流動(dòng)特性的研究較多[4-6],但實(shí)踐中的相關(guān)參數(shù)還有待改良,因此對(duì)帶蝶閥管道的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析,了解其流場(chǎng)的基本特性,有利于對(duì)帶蝶閥管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,延長(zhǎng)使用壽命[7-8]。作者采用有限元方法對(duì)帶蝶閥管道的固液兩相流動(dòng)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,改變閥門(mén)開(kāi)度、入口速度等參數(shù),研究管道內(nèi)速度、流線、壓降等參數(shù)對(duì)管道內(nèi)流場(chǎng)特性的影響。

1 建立幾何模型及劃分網(wǎng)格

在建立幾何模型時(shí),抽取流道進(jìn)行流場(chǎng)特性的研究[9-10]。選取蝶閥前后一段管道作為計(jì)算域,見(jiàn)圖1。

圖1 幾何模型

管道直徑等同于閥板直徑,為200 mm,閥板厚度為20 mm,進(jìn)口管道長(zhǎng)度為300 mm,出口管道長(zhǎng)度為500 mm。采用四面體網(wǎng)格劃分方法生成網(wǎng)格,對(duì)閥板周?chē)凸鼙诟浇O(shè)置膨脹層,同時(shí)對(duì)閥板周?chē)鷧^(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化[11],并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。單元數(shù)為81 252,節(jié)點(diǎn)數(shù)為23 167,平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.85。

圖2 網(wǎng)格劃分

2 確定邊界條件

(1)入口邊界。設(shè)置入口邊界為流體速度,流體溫度設(shè)置為300 K,流態(tài)設(shè)定為亞聲速。未考慮傳熱,因此比熱容設(shè)為0。

(2)出口邊界。出口邊界設(shè)置為壓力,參考?jí)毫υO(shè)為0 Pa,設(shè)定流態(tài)為亞聲速。

(3)對(duì)稱(chēng)邊界。由于研究模型的對(duì)稱(chēng)性,因此要對(duì)其進(jìn)行對(duì)稱(chēng)邊界設(shè)定,邊界類(lèi)型為Symmetry。

(4)壁面條件。壁面設(shè)為粗糙壁面,粗糙度為0.2 mm。

3 設(shè)定兩相流模型

由于是固液兩相流動(dòng),因此要對(duì)材料進(jìn)行設(shè)定?？紤]到應(yīng)用的實(shí)用性,兩相流采用水和沙?；旌?沙粒密度設(shè)定為2 300 kg/m3,粒子直徑設(shè)為50~500μm。

4 數(shù)值模擬

4.1 閥門(mén)開(kāi)度對(duì)管道內(nèi)流動(dòng)特性的影響

閥門(mén)開(kāi)度為20°、40°、60°、80°、90°,管壁處的侵蝕率分布見(jiàn)圖3。

圖3 不同閥門(mén)開(kāi)度壁面侵蝕率分布云圖

由圖3可知,閥門(mén)開(kāi)度越小,對(duì)壁面的侵蝕率越大,閥門(mén)開(kāi)度為20°,蝶板周?chē)谋诿娓g特別嚴(yán)重;閥門(mén)開(kāi)度為40°,對(duì)壁面的腐蝕面積最大,尤其是遠(yuǎn)離閥板的位置;在全開(kāi)的情況下,壁面侵蝕率特別小,幾乎無(wú)腐蝕現(xiàn)象存在。這是由于閥門(mén)開(kāi)度越小,蝶板周?chē)捏w積流量越大,導(dǎo)致對(duì)壁面沖刷嚴(yán)重。

閥門(mén)開(kāi)度為20°、40°、60°、80°、90°,閥板處的侵蝕率分布見(jiàn)圖4。

圖4 不同閥門(mén)開(kāi)度蝶板侵蝕率分布云圖

由圖4可知,處于穩(wěn)態(tài)時(shí),閥門(mén)開(kāi)度為20°,閥板的閥面侵蝕率較大;閥門(mén)開(kāi)度為90°,閥板的側(cè)面侵蝕率較大,這樣會(huì)使閥門(mén)密閉性變差;閥門(mén)開(kāi)度較小時(shí),被侵蝕的面積比閥門(mén)開(kāi)度大時(shí)的面積大。

閥門(mén)開(kāi)度為20°、40°、60°、80°、90°,帶蝶閥管道內(nèi)的流線分布見(jiàn)圖5。

圖5 不同閥門(mén)開(kāi)度管道流線分布圖

由圖5可知,閥門(mén)開(kāi)度為20°,會(huì)出現(xiàn)回流現(xiàn)象,不利于介質(zhì)的流通;閥門(mén)開(kāi)度小于80°,在蝶板的后面會(huì)出現(xiàn)真空區(qū),同時(shí)會(huì)出現(xiàn)旋渦,這種現(xiàn)象在閥門(mén)開(kāi)度為40°時(shí)尤為明顯;閥門(mén)全開(kāi),閥板對(duì)流體流線的影響基本沒(méi)有,大部分流體會(huì)流向蝶板的偏移方向,且流線較密。

閥門(mén)開(kāi)度為20°、40°、60°、80°、90°,對(duì)稱(chēng)面處的壓力分布見(jiàn)圖6。

圖6 不同閥門(mén)開(kāi)度壓力分布云圖

由圖6可知,閥門(mén)開(kāi)度小于80°,蝶板的背面會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓區(qū),不利于流體的運(yùn)輸;閥門(mén)開(kāi)度小于60°,閥前管道壓力特別大,容易出現(xiàn)泄漏,造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失;閥門(mén)開(kāi)度大于80°,閥前壓力和閥后壓力的壓差變得很小;閥門(mén)開(kāi)度的大小對(duì)于閥門(mén)管道處的壓力最高值有著密切的關(guān)系,隨著閥門(mén)開(kāi)度的增大,閥門(mén)管道處的壓力最高值會(huì)隨之減小。

閥門(mén)開(kāi)度為20°、40°、60°、80°、90°,對(duì)稱(chēng)面處的速度矢量分布見(jiàn)圖7。

圖7 不同閥門(mén)開(kāi)度速度分布云圖

由圖7可知,靠近管壁的地方會(huì)出現(xiàn)速度為0的情況;閥門(mén)開(kāi)度小于40°,閥板周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)速度為0的地方,最大速度出現(xiàn)在閥門(mén)兩側(cè);隨著閥門(mén)開(kāi)度的增加,速度最大值會(huì)慢慢變小;閥門(mén)開(kāi)度為60°,閥門(mén)周?chē)乃俣确植紩?huì)變得極不穩(wěn)定。

閥門(mén)開(kāi)度為20°、40°、60°、80°、90°,閥板兩端壓差、流量系數(shù)及流阻系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 閥門(mén)開(kāi)度不同時(shí)閥板兩端壓差、流量系數(shù)及流阻系數(shù)

由表1可知,隨著閥門(mén)開(kāi)度的增大,閥門(mén)兩端的壓差減小,而流量系數(shù)增大,即隨著閥門(mén)開(kāi)度的增大,閥門(mén)兩端的壓力損失減小。流阻系數(shù)隨著閥門(mén)開(kāi)度的增大而逐漸減小,更加有利于流體介質(zhì)的流通。

4.2 入口速度對(duì)管道內(nèi)流動(dòng)特性的影響

入口速度為3、5、7 m/s,管道內(nèi)的管壁侵蝕率分布見(jiàn)圖8。

由圖8可知,入口速度為7 m/s,流體對(duì)管壁的侵蝕面積最大,即速度越大,對(duì)管壁的腐蝕越嚴(yán)重;腐蝕的部位大部分位于蝶板周?chē)幒驼龑?duì)閥板背水面的地方,腐蝕最嚴(yán)重的地方位于靠近蝶板的部分。

圖8 不同入口速度管壁腐蝕分布云圖

入口速度為3、5、7 m/s,蝶閥蝶板處侵蝕率分布見(jiàn)圖9。

圖9 不同入口速度蝶板腐蝕分布云圖

由圖9可知,流體對(duì)蝶板造成的侵蝕同管壁規(guī)律一樣,即速度越大,流體對(duì)蝶板的侵蝕面積和侵蝕程度越嚴(yán)重;流體對(duì)蝶板的侵蝕主要集中在蝶板的邊緣部分,蝶板中心幾乎沒(méi)有受到侵蝕。

入口速度為3、5、7 m/s時(shí),對(duì)稱(chēng)面處的壓力分布見(jiàn)圖10。

圖10 入口速度不同時(shí)壓力分布云圖

由圖10可知,入口速度的變化并沒(méi)有明顯改變管道內(nèi)的壓力分布。入口速度為5、7 m/s時(shí)管道內(nèi)的壓力值大于入口速度為3 m/s時(shí)管道內(nèi)的壓力值。

入口速度為3、5、7 m/s,閥板兩端壓差、流量系數(shù)及流阻系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 入口速度不同時(shí)閥板兩端壓差、流量系數(shù)及流阻系數(shù)

由表2可知,入口速度較大時(shí),閥板兩端的壓差較大。流體介質(zhì)速度的變化對(duì)流量系數(shù)、介質(zhì)流通的流阻系數(shù)沒(méi)有影響。

5 結(jié) 論

(1)隨著閥門(mén)開(kāi)度的增加,流體介質(zhì)對(duì)管壁和閥板的侵蝕面積逐漸減小;管道內(nèi)的流線、壓力和管道內(nèi)流體矢量的分布均趨于穩(wěn)定;同時(shí)壓力最大值和速度最大值變小,流阻系數(shù)逐漸減小,但流量系數(shù)逐漸變大;

(2)入口速度較大時(shí),流體介質(zhì)對(duì)管壁和蝶板的侵蝕較嚴(yán)重,閥門(mén)處的壓力和閥板兩端的壓差亦較大。