魏丹，宋花平，趙軍

（1 北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2 中國人民解放軍總后勤部油料研究所，北京 102300）

目前國內(nèi)已基本形成以干線為主的成品油管網(wǎng)，當要對局部區(qū)域臨時供油時，一般采用裝配式輸油管線[1]從主干線導出油料。

成品油管線為適應長距離輸送，內(nèi)壓一般在10MPa 以上，而便于轉(zhuǎn)運和安裝的裝配式輸油管線則采用輕量化設計，其最高工作壓力一般都在6MPa 以下，所以油料導出時需要進行壓力轉(zhuǎn)換。

根據(jù)大壓差和大流量的工作特點，設計了一種新型套筒式壓力調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)管線間壓差。供油時，成品油管線中的高壓油料經(jīng)過套筒式壓力調(diào)節(jié)閥進行節(jié)流后，油料的壓力降低。為了增強對接裝置對野外工作條件的適應性，采用人工確定閥門開度和自力式穩(wěn)流調(diào)節(jié)的技術路線，最終確保閥后流入裝配式輸油管線的壓力降到安全工作允許值以下。

為了確定這種新型壓力調(diào)節(jié)閥在工作時的安全可靠性，本文采用CFD 方法[2]對這種新型壓力調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部流場情況及流量特性進行分析，也為以后的深入研究及性能優(yōu)化奠定基礎，提供理論依據(jù)[3—10]。

1 套筒式壓力調(diào)節(jié)閥三維計算模型

1.1 結構及工作原理

閥內(nèi)有兩級節(jié)流套筒，公稱通徑為150mm，進出口總長為560mm，結構如圖1 所示。流體先進入高壓腔，經(jīng)套筒節(jié)流孔一次減壓后流入下腔，再經(jīng)閥座孔二次減壓后流入閥底從出口流出，工作原理如圖2 所示。當有壓力波動時，碟簧可起到穩(wěn)定壓力、流量的作用，節(jié)流孔的形狀如圖3 所示。調(diào)節(jié)閥芯的高度可改變套筒過流面積，從而調(diào)節(jié)流體通量。

圖1 調(diào)節(jié)閥結構示意圖

圖2 調(diào)節(jié)閥工作原理示意圖

圖3 節(jié)流孔形狀示意圖

1.2 三維流道模型的建立

根據(jù)實際尺寸及裝配關系，利用SolidWorks 軟件建立起流通區(qū)域三維立體模型。為防止回流并使進出口處流動盡可能穩(wěn)定，將閥進出口通道延長為管道直徑5 倍左右。

為模擬不同工況，建立了各種開度的閥口流道模型，100%開度流道模型如圖4 所示。

1.3 網(wǎng)格剖分

將三維幾何實體導入到ANSYS ICEM 中進行計算前處理的網(wǎng)格劃分ICEM，因閥內(nèi)部流道幾何形狀復雜，故采用四面體單元結構化處理，并在節(jié)流孔及閥座孔處進行局部加密，以提高計算精度。

劃分后網(wǎng)格數(shù)為51 萬個左右，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.3，可滿足計算需要。對不同開度流道模型進行網(wǎng)格劃分，即可得到相應網(wǎng)格文件，其中100%開度下流道網(wǎng)格如圖5 所示。

圖4 開度100%流道模型示意圖

圖5 調(diào)節(jié)閥100%開度流道網(wǎng)格示意圖

1.4 求解

將網(wǎng)格文件導入到FLUENT 中，采用3D 雙精度求解器、基于壓力、穩(wěn)態(tài)隱式求解方程及求解模型，計算得出Re=46267，屬中等紊流狀態(tài)，應選取標準k-ε模型，邊界參數(shù)如表1 所示。流通介質(zhì)為水，計算參數(shù)如表2 所示。初始化流場，設定收斂參數(shù)進行計算，迭代經(jīng)1000 多步即可收斂。

表1 邊界參數(shù)表

表2 流通介質(zhì)參數(shù)表

2 計算結果及分析

2.1 流動分析

渦流對流動損失有重要影響，其位置和狀態(tài)直接關系到節(jié)流降壓效果，不同開度下的速度矢量分布如圖6 所示。

流體在入口處以3.14m/s 均勻流動，進入高壓腔后流通面積突然增大，流動開始發(fā)散形成渦漩，并在高壓腔上部出現(xiàn)淤積死區(qū)。

流體經(jīng)過高壓腔套筒節(jié)流孔后，流通面積急劇減小，流速增大發(fā)生紊流。隨著套筒開度的減小，節(jié)流孔處的流速依次增至31.62m/s、39.05m/s、44.05m/s 及47.17m/s，較入口流速大十幾倍。在進入下腔閥座孔時流向改變，使得紊流增強。

在流過閥座孔后，流通面積突然擴大，流向再次改變，流動發(fā)散并產(chǎn)生渦漩，從而造成出口處流量不均，且有回流產(chǎn)生。

在關閉調(diào)節(jié)閥過程中，套筒節(jié)流孔面積隨之縮減，流通截面亦縮小，流體通過節(jié)流孔及閥座孔后紊流逐漸增強，渦漩強度更加顯著，從而提高了出口處流量的不均勻程度。

2.2 壓力分析

壓力調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場壓力分布直接關系到減壓效果，不同開度下對稱面上流場壓力分布如圖7 所示。

圖6 不同開度流速矢量分布圖

進出口等徑段壓力變化比較平緩，高壓腔內(nèi)壓力即入口壓力為10MPa，當進入套筒節(jié)流孔時面積突然減小，根據(jù)孔板減壓效應，渦漩劇烈紊動會損耗部分能量，從而使流體壓力降低。且隨著套筒開度的減小，節(jié)流孔處壓力降依次為3MPa、3.2MPa、3.5MPa 及4MPa。

圖7 不同開度流場壓力分布云圖

由下腔通過閥座孔流向出口時，由于流通面積減小及流向改變，紊亂加強，能量損耗增加，壓力進一步降低，隨著開度的減小，二次減壓值依次為1MPa、0.8MPa、0.5MPa 和0，最終保證出口處壓力保持在裝配式輸油管線許用范圍之內(nèi)。

隨調(diào)節(jié)閥開度逐漸減小，套筒節(jié)流孔處壓降逐漸增大，總體壓降中一次減壓比例漸增。開度為10%時，4MPa 壓降基本全發(fā)生在節(jié)流孔處，二次減壓閥座孔處減壓幾乎不起減壓作用。

2.3 流量特性分析

調(diào)節(jié)閥流量特性中流體介質(zhì)與閥體部件結構之間函數(shù)關系如式（1）所示。

式中，Q/Qmax為相對流量，是指壓力調(diào)節(jié)閥某一開度時流量Q（m3/s）與全開時的流量Qmax（m3/s）之比；l/L 為相對位移，是指壓力調(diào)節(jié)閥在某一開度時的閥芯位移l（mm）與全開位移L（mm）之比。

流體的流量特性大致分為4 種：直線型、等百分比型、修正等百分比型及快開型[11-12]。

通過CFD 計算可以得到調(diào)節(jié)閥的特性參數(shù)，從中選出10 個不同開度下壓力調(diào)節(jié)閥流量計算數(shù)據(jù)如表3 所示。

壓力調(diào)節(jié)閥模擬計算流量特性曲線如圖8 所示。由圖8 可以看出，出口壓降不變，隨著調(diào)節(jié)閥開度的增加，流量也隨之增加，壓力調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線變化趨勢接近快開型。

表3 壓力調(diào)節(jié)閥流量計算數(shù)據(jù)表

圖8 壓力調(diào)節(jié)閥模擬計算流量特性曲線

2.4 試驗驗證

在某試驗臺上對該壓力調(diào)節(jié)閥進行模擬試驗，測得該閥在100%開度下的試驗流量為0.0614m3/s。試驗所得流量與模擬計算所得流量誤差為11.5%。由于模擬計算時以光滑壁面處理，忽略了壁面摩擦阻力，故導致模擬計算流量高于試驗流量，從而驗證了數(shù)值模擬結果的可靠性，說明了數(shù)值模擬結果是比較準確的。

3 結 論

通過對新型套筒式壓力調(diào)節(jié)閥不同開度下的內(nèi)部流場進行CFD 數(shù)值模擬仿真，得到其內(nèi)部流場壓力、速度矢量分布的可視化結果，并分析得出調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線，分析結果表明。

（1）流體在閥內(nèi)流動時，由于流通面積不斷變化，產(chǎn)生流動渦漩，影響出口流量均勻性，隨著開度減小，渦旋增大，流量不均勻性更顯著。

（2）套筒處流通面積突然收縮導致節(jié)流壓降，開度與節(jié)流效果呈反比，同壓降下，流量也相應減小。

（3）閥阻比為0.4 工況下，調(diào)節(jié)閥模擬計算得出流量特性為近似快開型。

（4）在保證閥兩端壓差情況下，全開度試驗結果與數(shù)值模擬結果的誤差在允許范圍內(nèi)。

數(shù)值模擬的結果驗證了這種壓力調(diào)節(jié)閥工作的可靠性以及計算模型及此采用方法的可行性。與實驗結果比較，數(shù)值模擬的精度是可以信賴的，這也為日后該新型壓力調(diào)節(jié)閥的流道設計及優(yōu)化分析提供了數(shù)值依據(jù)。

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