王 銘,張世富,張起欣,張冬梅,陳 暢

(中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院 a.研究生大隊(duì)； b.國(guó)家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心；c.軍事供油工程系， 重慶 401331

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油罐自力式液位控制閥流場(chǎng)分析

王 銘a,張世富b,張起欣c,張冬梅b,陳 暢a

(中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院 a.研究生大隊(duì)； b.國(guó)家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心；c.軍事供油工程系， 重慶 401331

為分析油罐自力式液位控制閥主閥關(guān)閥過(guò)程，對(duì)閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力進(jìn)行分析并建立微分方程，得出關(guān)閥過(guò)程中閥芯的速度及加速度公式，分析了關(guān)閥速度與閥門工作壓力、節(jié)流孔大小、閥芯內(nèi)腔平均直徑的關(guān)系。借助Fluent軟件對(duì)關(guān)閥過(guò)程中閥門的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行研究，并進(jìn)一步分析了閥芯受力。研究結(jié)果對(duì)于主閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及錐閥閥芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有參考意義。

油罐；閥門；液位控制；受力分析；仿真

油料的液位控制一般指對(duì)儲(chǔ)液容器液位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其保持在某一高度下，避免發(fā)生溢油及其他安全事故[1-3]。目前，各類液位控制裝置廣泛應(yīng)用于油罐車、計(jì)量罐、地面及地下儲(chǔ)油罐等各類容器，在減小工人工作強(qiáng)度、保障生產(chǎn)安全方面發(fā)揮了巨大的作用，是現(xiàn)代油料生產(chǎn)及儲(chǔ)存計(jì)量中必不可少的裝置[4]。為解決液位控制問(wèn)題，研制了一種全機(jī)械自力式高液位控制先導(dǎo)閥，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，利用Fluent軟件對(duì)受控主閥關(guān)閥過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 高液位控制閥工作原理

高液位控制閥的工作原理如圖1所示。閥門正常工作時(shí)，手柄被拉至最右端，真空閥閥芯打開(kāi)，啟閉導(dǎo)閥開(kāi)啟。閥門入口處的高壓流體經(jīng)流道①進(jìn)入真空閥，經(jīng)過(guò)文氏管時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，外界空氣經(jīng)氣道③進(jìn)入真空閥，和流體一起經(jīng)流道⑥排出。由于氣道②與③聯(lián)通，真空?qǐng)?zhí)行器的膜片右側(cè)氣室壓力下降較小，鋼珠受到真空?qǐng)?zhí)行器殼體與錐芯軸的卡阻，與鎖桿位置被固定。主閥入口處流體經(jīng)節(jié)流孔進(jìn)入閥芯內(nèi)腔，再由流道④、⑤流入主閥流道。在節(jié)流孔的節(jié)流減壓作用下，閥芯內(nèi)腔的壓力小于閥芯前液體的壓力，閥門一直處于打開(kāi)的狀態(tài)。當(dāng)受油油箱的液位達(dá)到氣道③的下沿時(shí)，氣道被阻塞，膜片右側(cè)氣室壓力下降，膜片帶動(dòng)錐芯軸右移，鋼珠的卡阻消失，彈簧推動(dòng)真空閥閥芯左移直至關(guān)閉。在手柄的作用下，鎖桿左移，同時(shí)啟閉導(dǎo)閥關(guān)閉，閥芯內(nèi)腔液體不再流動(dòng)，其壓力與閥芯前端壓力相同，在主閥閥芯彈簧的作用下，閥芯上移直至閥門關(guān)閉。

2 關(guān)閥過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析

關(guān)閥過(guò)程從啟閉導(dǎo)閥完全關(guān)閉控制流道開(kāi)始，閥芯前腔液體通過(guò)節(jié)流孔進(jìn)入閥芯內(nèi)腔，液體在閥芯內(nèi)腔堆積，推動(dòng)閥芯向右運(yùn)動(dòng)。主閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.主閥； 2.節(jié)流孔； 3.啟閉導(dǎo)閥 ；4.真空閥 ；5.手柄；

6.真空?qǐng)?zhí)行器 ；7.錐芯軸 ；8.鋼珠； 9.鎖桿

圖1 高液位控制閥原理

圖2 主閥結(jié)構(gòu)

閥芯關(guān)閥運(yùn)動(dòng)方程[5-6]：

P2S2+Fk-P3S3-P1S1-Ft-

(1)

式中：P1、S1為閥芯前腔壓強(qiáng)(Pa)及受壓面積(m2)；P2、S2為閥芯內(nèi)腔壓強(qiáng)(Pa)及受壓面積(m2)；P3、S3為閥芯側(cè)腔壓強(qiáng)(Pa)及受壓面積(m2);Fk為彈簧彈力(N)；Ft為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力(N)；Fw為瞬態(tài)液動(dòng)力(N)；f為閥芯與閥體間的摩擦力(N)；M為閥芯質(zhì)量(kg);x為閥芯位移(m);β為黏性阻尼系數(shù)；t為關(guān)閥時(shí)間(s)。

(2)

瞬態(tài)液動(dòng)力Ft是因油料流速和流動(dòng)方向的變化作用在閥芯上的力，可根據(jù)動(dòng)量方程求出：

(3)

式中：Q為主閥口流量(m3/s);α′為動(dòng)量修正能系數(shù)，對(duì)于湍流一般取1。

閥門流量方程為

(4)

式中：C1為閥門的流量系數(shù)；A1為閥門出口的垂直過(guò)流面積(m2)；ΔP1為閥門前后壓差(Pa)，由閥門工作條件決定，假設(shè)閥門出口壓力為P0，則ΔP1=P1-P0； ρ為油料密度(kg/m3)。

根據(jù)閥芯頂部結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系，垂直過(guò)流面積為

(5)

式中：x0為閥門工作位置距關(guān)閥位置距離，即關(guān)閥總位移;θ為閥芯錐角。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，Q進(jìn)=Q出，得出v進(jìn)與v出的關(guān)系為

(6)

將式(4)、(6)代入式(3)，得出瞬態(tài)液動(dòng)力的表達(dá)式：

(7)

根據(jù)閥芯前部錐形結(jié)構(gòu)，油料通過(guò)節(jié)流孔進(jìn)入閥芯內(nèi)腔的流量為

(8)

式中：C2為節(jié)流孔的流量系數(shù)；A2為節(jié)流孔垂直過(guò)流面積(m2)；ΔP2為節(jié)流孔前后壓差(Pa)，等于P1-P2。

(9)

由于閥芯的運(yùn)動(dòng)速度很小，可以認(rèn)為閥芯側(cè)腔的壓力P3與導(dǎo)壓孔處流道內(nèi)流體的壓力相同。取從閥門入口到導(dǎo)壓孔處的流道為控制體，主閥流量也可表示為

(10)

式中：C3為控制體的流量系數(shù)；A3為導(dǎo)壓孔處主閥流道的垂直過(guò)流面積(m2)；ΔP3為控制體前后壓差(Pa)，等于P1-P3。

將式(4)與式(10)聯(lián)立，得出：

P3=(1-k)P1+kP0

(11)

彈簧彈力

(12)

式中：x1為閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)彈簧的壓縮量；K為彈簧的彈性系數(shù)。

將式(7)、(8)、(9)、(11)、(12)代入式(2)可得

(13)

為簡(jiǎn)化方程，令：

則式(2)可表示為

(14)

式(14)是二階非線性常微分方程，求解可得：

(15)

將式(15)對(duì)時(shí)間進(jìn)行求導(dǎo)，得到加速度的表達(dá)式：

(16)

式(15)、 (16)說(shuō)明：此高液位閥閥芯的在關(guān)閥過(guò)程中速度隨關(guān)閥行程不斷增加；關(guān)閥運(yùn)動(dòng)是一個(gè)受到多方面因素綜合影響的運(yùn)動(dòng)：閥芯內(nèi)腔平均直徑和閥芯的質(zhì)量越大，速度和加速度越??；閥門前后壓力和節(jié)流孔的面積越大，速度和加速度越大。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立模型及網(wǎng)格劃分

此閥門結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在仿真時(shí)利用二維模型代替三維結(jié)構(gòu)，對(duì)流動(dòng)情況較為簡(jiǎn)單的部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如閥芯側(cè)腔、閥芯內(nèi)腔等。利用Solidworks軟件建立二維模型，利用ICED軟件進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。閥芯內(nèi)腔采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，閥其余部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并在節(jié)流孔入口處設(shè)置interface，在流動(dòng)情況較為復(fù)雜的流道入口處加密網(wǎng)格。模型采用動(dòng)網(wǎng)格模擬，網(wǎng)格重構(gòu)采用Smoothing、Layering、Remeshing 3種方法。在Fluent軟件中對(duì)初始網(wǎng)格(圖3(a))進(jìn)行預(yù)覽，得到關(guān)閥過(guò)程中各個(gè)時(shí)刻的網(wǎng)格劃分情況。關(guān)閥過(guò)程中幾個(gè)典型位置的網(wǎng)格情況如圖3所示。

3.2 基本控制方程

連續(xù)性方程：

(17)

式中：ρ為流體的密度(kg/m3) ;t為時(shí)間(s)；u、υ、ω為x、y、z方向的速度分量(m/s)。

動(dòng)量方程：

(18)

(19)

(20)

式中:p為流體的靜壓強(qiáng)(Pa)；τij為應(yīng)力張量的9個(gè)分量(Pa)，i、j分別可取x、y、z;f為體積力的3個(gè)坐標(biāo)分量(N)。

能量方程：

(21)

圖3 關(guān)閥行程特殊位置網(wǎng)格

3.3 Fluent軟件自定義函數(shù)(UDF)的編寫與求解器參數(shù)設(shè)置

利用UDF宏DEFINE_CG_MOTION定義閥芯在每一個(gè)時(shí)間步的位移。閥芯單個(gè)時(shí)間步的速度增量可按式(17)進(jìn)行計(jì)算：

dv=F·dt/M

(22)

式中：dv為dt時(shí)間內(nèi)閥芯速度的變化量；F為閥芯所受合力；dt為時(shí)間步長(zhǎng)度；M為閥芯質(zhì)量。

設(shè)置靜態(tài)變量對(duì)速度變化量進(jìn)行累加，利用速度與時(shí)間步長(zhǎng)度的乘積定義單個(gè)時(shí)間步的位移。

利用UDF宏DEFINE_EXECUTE_AT_END定義在每個(gè)時(shí)間步的迭代計(jì)算完畢后輸出流量、壓力等相關(guān)的參數(shù)。

選擇基于壓力的分離求解器(SIMPLEC算法)作為模型求解器。選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，流體材料設(shè)置為水。導(dǎo)入自定義函數(shù)(UDF)，并以此定義相關(guān)區(qū)域?yàn)閯傮w(Rigid Body)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)邊界運(yùn)動(dòng)設(shè)置deforming類型運(yùn)動(dòng)邊界。設(shè)置閥門入口為壓力入口邊界條件，根據(jù)閥門實(shí)際應(yīng)用的壓力，設(shè)置入口壓力為106Pa。設(shè)置閥門出口為壓力出口邊界條件，壓力設(shè)置為105Pa，并將所有的interface進(jìn)行配對(duì)。時(shí)間步設(shè)置為10-5s。其他設(shè)置采用默認(rèn)值，初始化后進(jìn)行計(jì)算。

3.4 仿真結(jié)果及分析

仿真得到了閥門流量隨關(guān)閥行程變化的曲線，如圖4所示，可見(jiàn)流量隨閥門開(kāi)度的減小而減小。通過(guò)積分計(jì)算，得出關(guān)閥過(guò)程中的流量總計(jì)為0.022 5 m3。

圖4 閥門流量隨關(guān)閥行程變化關(guān)系

關(guān)閥行程中特殊位置的速度云圖如圖5所示。從圖中可以看出：在閥芯前腔關(guān)閥行程前期，最大速度出現(xiàn)在流道最為狹窄的區(qū)域；節(jié)流孔處速度較小，這是由于閥芯運(yùn)動(dòng)速度較慢，也說(shuō)明了此閥關(guān)閥平穩(wěn)。從壓力云圖還可以看出：閥芯前腔壓力沒(méi)有出現(xiàn)大的波動(dòng)。

圖5 關(guān)閥行程中特殊位置的速度云圖

仿真得到了閥芯所受合力隨關(guān)閥行程變化的曲線，如圖 6 所示。閥芯所受合力決定了其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：閥芯所受合力隨關(guān)閥行程先上升后下降，并一直處于波動(dòng)的狀態(tài)。這說(shuō)明閥芯的運(yùn)動(dòng)為速度恒大于0的加速運(yùn)動(dòng)，加速度先增大后減小。在關(guān)閥過(guò)程中出現(xiàn)了水擊，但由于關(guān)閥速度較慢，所以壓力波動(dòng)并不大。

壓力關(guān)閥行程中特殊位置的壓力云圖如圖7所示。從圖中可以看出：閥芯前腔和閥芯內(nèi)腔的壓力較高，這是由于閥門入口處的速度較小，所以壓降較??；壓力在流道入口前端開(kāi)始下降，并隨著閥門的關(guān)閉下降越來(lái)越快，這是因?yàn)榱鞯狼岸说木植孔枇υ絹?lái)越大；閥芯內(nèi)腔的壓力與導(dǎo)壓孔外流體壓力基本保持一致，且在關(guān)閥過(guò)程中一直小于0，這是由于流道內(nèi)流體速度增大造成的。閥芯錐頂部平面壓力較大，明顯要高于錐角部分，從速度云圖(圖5)中也可以看出：由于受到與水流方向垂直的錐頂平面的阻礙，閥芯錐頂平面及前部區(qū)域速度較小，所以壓力相對(duì)于錐角部分小。閥門流道部位出現(xiàn)了極低的壓力，說(shuō)明在流道處流體會(huì)發(fā)生氣化。

圖6 閥芯受力隨關(guān)閥行程變化

圖7 關(guān)閥行程中特殊位置的壓力云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論分析及仿真，分析了主閥關(guān)閉過(guò)程中的流場(chǎng)及壓力情況，說(shuō)明此自力式閥門能利用液體壓力自動(dòng)關(guān)閥，且關(guān)閥平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)較大的壓力波動(dòng)，不會(huì)因水擊損壞閥門結(jié)構(gòu)。閥芯的關(guān)閥運(yùn)動(dòng)方程表明：閥芯內(nèi)腔平均直徑和閥芯的質(zhì)量越大，閥芯速度和加速度越??；閥門前后壓力和節(jié)流孔的面積越大，閥芯速度和加速度越大。Fluent軟件仿真結(jié)果表明：關(guān)閥過(guò)程出現(xiàn)了水擊，但壓力波動(dòng)不大，說(shuō)明可以適當(dāng)增大節(jié)流孔直徑或減小閥芯質(zhì)量。

[1] 王繼承.液位報(bào)警器在密閉計(jì)量罐上的應(yīng)用[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013，33(3)：97.

[2] 斯建華.重油罐液位控制方案的改進(jìn)[J].銅業(yè)工程,1999(2):17-19.

[3] 郭玉瓊.高線B潤(rùn)滑站氣壓貯油罐液位控制的改進(jìn)[J].浙江冶金,2003(4):49-51.

[4] 黃增進(jìn),梁朝旭.關(guān)于儲(chǔ)罐液位報(bào)警值設(shè)定的探討[J].廣東化工,2015,42(10):157-158.

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[6] 唐曉寅.工程流體力學(xué)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2007.

(責(zé)任編輯 劉 舸)

Flow Field Analysis of Self-Operated High Level Control Valve of Oil Tank

WANG Minga, ZHANG Shi-fub, ZHANG Qi-xinc, ZHANG Dong-meib, CHEN Changa

(a.Graduate Student Brigade; b.Research Center of National Disaster Emergency Equipment Engineering Technology; c.Department of Military Oil Supply Engineering,Logistic Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China)

In order to study the shutoff process of high level valve for oil tank, the formula of the velocity and acceleration of the valve element, which is inferred from the analysis of forces executing on valve and differential equation, based on which the relationship between working pressure, orifice size, valve element lumen mean diameter and shutoff velocity of valve element were analyzed. Software Fluent was used to simulate the velocity and pressure field during the shutoff process. Further analysis of the force executing on valve element was done, which is of good value for the majorization of valve structure and the design of valve element of cone valve.

oil tank; valve; level control; force analysis; simulation

2016-11-28

王銘(1992—)，男，碩士研究生，主要從事工程流體力學(xué)研究，E-mail:1832778276@qq.com。

王銘,張世富,張起欣，等.油罐自力式液位控制閥流場(chǎng)分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(4):82-87.

format：WANG Ming, ZHANG Shi-fu, ZHANG Qi-xin,et al.Flow Field Analysis of Self-Operated High Level Control Valve of Oil Tank[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(4):82-87.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.04.013

TH816

A

1674-8425(2017)04-0082-06