江 帆，岳鵬飛，黎斯杰，肖 納

油水環(huán)狀流在轉(zhuǎn)動(dòng)閥門內(nèi)的流動(dòng)狀況研究

江 帆，岳鵬飛，黎斯杰，肖 納

（廣州大學(xué)，廣東廣州 510006）

油水環(huán)狀流是一種低能耗的管道輸送高黏度原油的方式，輸送過程中會(huì)歷經(jīng)球閥，而球閥開閉動(dòng)作會(huì)對(duì)環(huán)狀流動(dòng)產(chǎn)生影響。本文對(duì)閥門轉(zhuǎn)動(dòng)過程中環(huán)狀流的變化狀況進(jìn)行研究，為研究閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)油水環(huán)狀流穩(wěn)定性的影響機(jī)制提供數(shù)據(jù)。采用CLSVOF模型與追蹤油水界面，用滑移網(wǎng)格描述閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)，并用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型設(shè)置湍流，建立數(shù)值模擬模型，分析閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)過程中油水環(huán)狀流的流動(dòng)狀態(tài)變化。結(jié)果表明，閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，閥門內(nèi)油水環(huán)狀流會(huì)發(fā)生急劇變化，并受閥門開啟速度的影響。

球閥；油水環(huán)狀流；閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)；滑移網(wǎng)格；數(shù)值模擬

1 前言

球閥是石油管道運(yùn)輸系統(tǒng)中的重要控制元件，其開閉過程對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響，故研究球閥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)閥內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)對(duì)閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操控參數(shù)優(yōu)化具有重要意義。目前閥門內(nèi)流動(dòng)研究多集中在固定開度單相流的分析，如趙瑩等利用Fluent軟件對(duì)球閥內(nèi)部的分離流動(dòng)進(jìn)行了分析［1］，屈鐸等用CFD技術(shù)數(shù)值仿真了球閥閥腔內(nèi)的流動(dòng)狀況［2］，楊國強(qiáng)等對(duì)球閥內(nèi)壁三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，探究了球閥開啟過程中內(nèi)部流場的變化［3］，王朝富等對(duì)強(qiáng)制密封的球閥內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［4］，江帆等對(duì)不同物性流體在閥門內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究［5］。對(duì)于閥門動(dòng)態(tài)過程中閥內(nèi)流動(dòng)的狀況也有學(xué)者進(jìn)行研究，如劉華坪等利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)閥門瞬態(tài)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬［6］。

為了進(jìn)一步弄清油水環(huán)狀流在球閥轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程流動(dòng)變化情況，本文對(duì)油水環(huán)狀流在球閥轉(zhuǎn)動(dòng)過程的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探究閥門轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)油水環(huán)狀流的影響規(guī)律，為油水環(huán)狀流在復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)下的穩(wěn)定性研究提供參數(shù)。

2 流動(dòng)控制方程

流體在球閥內(nèi)部流動(dòng)遵守質(zhì)量守恒、動(dòng)量

守恒定律，同時(shí)湍流采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε的湍流模型［7～11］。

（1）連續(xù)性方程

式中ρ ——流體密度

t ——時(shí)間

（2）動(dòng)量守恒方程

其中

式中μ ——流體黏度

μt——湍流黏性系數(shù)，μt=ρCμk2/ε

Gk——由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生

Gb——由于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生

YM——可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響

σk，σε——湍動(dòng)能與耗散率的湍流普朗特

（4）CLSVOF模型

采用耦合 LevelSet和 VOF 方法（CLSVOF）捕捉兩相界面，LS方程為：

式中φ ——LevelSet函數(shù)

運(yùn) 動(dòng) 界 面 恰 好 是 φ（x，t）=0 時(shí) 的 位 置，表示相界面外的區(qū)域表示相界面內(nèi)的區(qū)域。

多相流動(dòng)中，各相體積分?jǐn)?shù)計(jì)算受下式約束：

每個(gè)單元格內(nèi)的密度為：

其他物理量也類似處理。

（5）滑移網(wǎng)格技術(shù)

球閥芯的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，在幾何模型網(wǎng)格劃分時(shí)將其劃分成幾個(gè)區(qū)域，滑移網(wǎng)格技術(shù)可使交界面兩側(cè)的網(wǎng)格相互滑動(dòng)，而不要求交界面兩側(cè)的網(wǎng)格點(diǎn)相互重合，但要計(jì)算交界面兩側(cè)的通量，并使其相等，區(qū)域之間的交界面是區(qū)域聯(lián)系的紐帶，并由此傳遞數(shù)據(jù)［8］。如圖2所示，整個(gè)計(jì)算域由左到右劃分為入流區(qū)、閥芯區(qū)和出口區(qū)3個(gè)區(qū)域，閥芯區(qū)域與入流區(qū)和出口區(qū)可以相互滑動(dòng)，通過這種滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 滑移網(wǎng)格原理

圖2 流動(dòng)區(qū)域模型

3 計(jì)算模型

根據(jù)球閥三維模型創(chuàng)建球閥內(nèi)部流動(dòng)區(qū)域的模型如圖2所示，整個(gè)模型由入口管道、閥芯和出口管道組成。流道的直徑為20mm，入口管道長度為100mm，出口管道長度為200mm。入口管道的入口端面分為2個(gè)區(qū)域，中心直徑13.33mm范圍內(nèi)為油相速度入口，四周環(huán)狀為水相速度入口。

使用Workbench中的Mesh模塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于模型大部分屬于規(guī)則的圓柱體，為了減少網(wǎng)格數(shù)量，加快求解速度，故網(wǎng)格采用六面體類型，最終得到的網(wǎng)格如圖3所示。檢查網(wǎng)格最大扭曲度為0.71，最小正交質(zhì)量為0.41，符合數(shù)值模擬計(jì)算要求，共163453個(gè)節(jié)點(diǎn)、377320個(gè)網(wǎng)格。

圖3 網(wǎng)格模型

由水形成外環(huán)，高黏度的油形成油核，各流體的物性參數(shù)如表1所示。邊界條件為：入口為速度入口，油相實(shí)際入口速度1.2m/s，水相實(shí)際入口速度1.02m/s；出口采用壓力出口，其余均為壁面。由于雷諾數(shù)超過臨界值，流動(dòng)區(qū)域產(chǎn)生湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。流動(dòng)控制方程采用CFD軟件FLUENT16求解，求解方法為SIMPLE算法，各項(xiàng)的離散格式全部為二階迎風(fēng)格式，雙精度求解。

表1 各種流體的物性參數(shù)

在網(wǎng)格分界面設(shè)置里面定義網(wǎng)格分界面，并將閥芯流道獨(dú)立為區(qū)域，與閥前和閥后通過Interface連接，閥芯區(qū)域設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)，給定轉(zhuǎn)速后即可設(shè)置迭代步長進(jìn)行計(jì)算。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 開啟過程的油水環(huán)狀流演變

動(dòng)態(tài)模擬主要是為了探究不同的閥門開啟速度對(duì)閥后流場的影響，由于閥門開啟是動(dòng)態(tài)過程，相對(duì)原來的固定開度模擬，閥后流場中的漩渦來不及產(chǎn)生回流就已經(jīng)發(fā)生改變。設(shè)閥門初始時(shí)刻開度為 5%，分別對(duì)閥門開啟時(shí)間為 1，2，3s（閥門開度從5%到100%所用時(shí)間，時(shí)間越長，速度越慢）進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，如圖4所示為開啟時(shí)間為1s時(shí)的流動(dòng)情況。

圖4 開啟時(shí)間為1s時(shí)不同開度的流動(dòng)

由模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)閥門開度較小時(shí)，由于閥芯過流面積很小，流道急劇縮小，閥腔入流與出流的速度較大，使油相易噴射在管道壁面處，并產(chǎn)生多個(gè)漩渦，使得閥內(nèi)與出口管道內(nèi)油水兩相呈現(xiàn)較為混亂的分布。隨著閥門開度增大，油水兩相流量迅速增大，出口管道位置的破碎液滴不斷聚集，管道內(nèi)部破碎液滴明顯減少，油相逐漸形成連續(xù)的流動(dòng)。在閥門開度達(dá)到70%時(shí)已經(jīng)形成較為明顯的油水環(huán)狀流，但油水分界面仍存在波紋；當(dāng)開度增大到90%時(shí)，油水分界面仍舊存在波紋，雖然開度增大了，但油水環(huán)狀流仍需要一定時(shí)間來穩(wěn)定。

比較部分固定開度閥門內(nèi)油水環(huán)狀流（圖5）與動(dòng)態(tài)開度閥門內(nèi)油水環(huán)狀流（圖4），從中看到，利用固定開度模型計(jì)算結(jié)果中的環(huán)狀流要穩(wěn)定一些，這說明閥門動(dòng)態(tài)開啟對(duì)油水環(huán)狀流有強(qiáng)烈的擾動(dòng)作用，會(huì)導(dǎo)致環(huán)狀流失穩(wěn)。

圖5 固定開度下的模擬結(jié)果

針對(duì)不同開啟速度下的動(dòng)態(tài)模擬（對(duì)比圖4與圖6）可以發(fā)現(xiàn)，不同的閥門開啟速度對(duì)整個(gè)流場的變化規(guī)律有些影響，開啟速度越慢，閥后的流動(dòng)擾動(dòng)越小，環(huán)狀流不易被破壞，這樣可以改善閥后流場，而閥門開啟速度增加，閥后流動(dòng)擾動(dòng)較大，環(huán)狀流容易遭到破壞，同時(shí)管道內(nèi)部由于閥門突然開啟而驟然增大的壓力會(huì)使管道受到較大沖擊，損壞管道密封性能。

圖6 不同開啟速度下的模擬結(jié)果

4.2 油相體積分?jǐn)?shù)

計(jì)算模擬結(jié)果中不同開度以及不同開啟速度下x=-0.06m（閥后3倍管徑處）和x=-0.12m截面（閥后6倍管徑處）的油相體積分?jǐn)?shù)，如圖7所示。由圖可看出，當(dāng)閥門開度小于50%時(shí)，隨著開啟速度增加，每個(gè)開度下的油相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，閥后較遠(yuǎn)處，油相體積分?jǐn)?shù)要低一些。當(dāng)開度大于50%時(shí)，趨勢則相反，最終在閥門全開時(shí)，油相體積分?jǐn)?shù)均趨近于入口油相體積分?jǐn)?shù)。這是因?yàn)樵谛￠_度下，開啟速度增加，閥芯對(duì)流動(dòng)擾動(dòng)較大，使兩相流體的部分流動(dòng)速度發(fā)生變化，而導(dǎo)致閥后附近的油相分布產(chǎn)生較大的波動(dòng)。

圖7 不同開啟速度下閥門開度與油相體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

4.3 壓力差

提取模擬結(jié)果中閥前X=0.06截面以及閥后X=-0.06截面之間的壓力差，繪制如圖8所示的不同開啟速度下閥門開度與壓力差的曲線。由圖可以看出，不同開啟速度下壓力差變化趨勢一致，而對(duì)于同一開度，閥兩端壓力差在不同開啟速度下差別很小。當(dāng)開啟速度增加，使得流體在各個(gè)開度下的流動(dòng)時(shí)間減小，管道內(nèi)部最高流速相應(yīng)的降低，閥門前后的壓力差隨之變小。

圖8 開啟速度與壓力差的關(guān)系

5 結(jié)論

（1）閥門開啟過程中，隨著閥門開度增加，油水環(huán)狀流逐漸恢復(fù)穩(wěn)定，當(dāng)閥門開度較小時(shí)，由于過流面積小，閥內(nèi)與閥后產(chǎn)生射流和漩渦，導(dǎo)致環(huán)狀流破壞。對(duì)比固定開度的模擬結(jié)果，動(dòng)態(tài)模擬中的油水環(huán)狀流不易恢復(fù)穩(wěn)定，說明閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)油水環(huán)狀流有明顯的擾動(dòng)作用。

（2）由于閥芯的運(yùn)動(dòng)使兩相的部分速度變化，開啟速度變化，導(dǎo)致閥后油相體積分?jǐn)?shù)變化，當(dāng)閥門開度小于40%時(shí)，相同開度下，開啟速度越快油相體積分?jǐn)?shù)越小，但增加較快。

（3）開啟速度變化對(duì)環(huán)狀流的穩(wěn)定性有影響，開啟速度較大時(shí)，環(huán)狀流容易被破壞，同時(shí)管內(nèi)壓力發(fā)生劇烈變化，開啟過程中流體在管道內(nèi)的流動(dòng)時(shí)間減少，管道內(nèi)部最大流速變小，使得閥門前后壓力差變小。

［1］趙瑩，周進(jìn).球閥流場的數(shù)值模擬與可視化研究［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2007，25（6）：35-39.

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Study on the Flow of Oil-water Core Annular Flow in the Rotating Ball Valve

JIANG Fan，YUE Peng-fei，LI Si-jie，XIAO Na
（Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

Oil-water annular flow is a way with low energy consumption to transport high viscosity crude oil. It will pass through the ball valve in the process of transportation，and the opening and closing of the ball valve will influence its flow state. In this paper，the state of oil-water core annular flow in the process of valve rotation is studied，it can provide data for the stability study on the oil water core annular flow. The CLSVOF model is use to track the oil-water interface，the sliding mesh technology is used to describe the valve core rotation，and standard turbulence k-ε model for turbulence，numerical control equations are built，the oil-water annular flow variation in the rotating valve is analyzed，and the results show that，in the process of the valve core rotation，the oil-water annular flow will change dramatically，and the valve opening rate can impact on the oil-water annular flow.

ball valve；oil-water annular flow；valve core rotation；sliding mesh；numerical simulation

TH134

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.006

1005-0329（2017）11-0029-05

2016-09-08

2017-10-26

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016A030313653）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201504291436202）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015A070710029，2015A030402009，2014A070711023）

江帆（1974-），男，博士，教授，主要從事機(jī)械CAE/CFD方面的研究，通訊地址：510006廣東廣州市大學(xué)城外環(huán)西路230號(hào)廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，E-m ail：jiang fan330@163.com。