江 帆，岳鵬飛，黎斯杰，肖 納

油水環(huán)狀流在轉(zhuǎn)動閥門內(nèi)的流動狀況研究

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，輸送過程中會歷經(jīng)球閥，而球閥開閉動作會對環(huán)狀流動產(chǎn)生影響。本文對閥門轉(zhuǎn)動過程中環(huán)狀流的變化狀況進(jìn)行研究，為研究閥芯轉(zhuǎn)動對油水環(huán)狀流穩(wěn)定性的影響機制提供數(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，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)動過程中油水環(huán)狀流的流動狀態(tài)變化。結(jié)果表明，閥芯轉(zhuǎn)動過程中，閥門內(nèi)油水環(huán)狀流會發(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；滑移網(wǎng)格；數(shù)值模擬

1 前言

球閥是石油管道運輸系統(tǒng)中的重要控制元件，其開閉過程對其內(nèi)部流動狀態(tài)產(chǎn)生影響，故研究球閥轉(zhuǎn)動時閥內(nèi)流動狀態(tài)對閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計和操控參數(shù)優(yōu)化具有重要意義。目前閥門內(nèi)流動研究多集中在固定開度單相流的分析，如趙瑩等利用Fluent軟件對球閥內(nèi)部的分離流動進(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)的流動狀況［2］，楊國強等對球閥內(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］，王朝富等對強制密封的球閥內(nèi)部流動進(jìn)行分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［4］，江帆等對不同物性流體在閥門內(nèi)流動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究［5］。對于閥門動態(tài)過程中閥內(nèi)流動的狀況也有學(xué)者進(jìn)行研究，如劉華坪等利用動網(wǎng)格技術(shù)對閥門瞬態(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)動的動態(tài)過程流動變化情況，本文對油水環(huán)狀流在球閥轉(zhuǎn)動過程的流動進(jìn)行數(shù)值模擬，探究閥門轉(zhuǎn)動速度對油水環(huán)狀流的影響規(guī)律，為油水環(huán)狀流在復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)下的穩(wěn)定性研究提供參數(shù)。

2 流動控制方程

流體在球閥內(nèi)部流動遵守質(zhì)量守恒、動量

守恒定律，同時湍流采用標(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 ——時間

（2）動量守恒方程

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能產(chǎn)生

Gb——由于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生

YM——可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響

σk，σε——湍動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 動 界 面 恰 好 是 φ（x，t）=0 時 的 位 置，表示相界面外的區(qū)域表示相界面內(nèi)的區(qū)域。

多相流動中，各相體積分?jǐn)?shù)計算受下式約束：

每個單元格內(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，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)。如圖1所示，在幾何模型網(wǎng)格劃分時將其劃分成幾個區(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，而不要求交界面兩側(cè)的網(wǎng)格點相互重合，但要計算交界面兩側(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，整個計算域由左到右劃分為入流區(qū)、閥芯區(qū)和出口區(qū)3個區(qū)域，閥芯區(qū)域與入流區(qū)和出口區(qū)可以相互滑動，通過這種滑動，實現(xiàn)了閥芯的轉(zhuǎn)動。

圖1 滑移網(wǎng)格原理

圖2 流動區(qū)域模型

3 計算模型

根據(jù)球閥三維模型創(chuàng)建球閥內(nèi)部流動區(qū)域的模型如圖2所示，整個模型由入口管道、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)值模擬計算要求，共163453個節(jié)點、377320個網(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，油相實際入口速度1.2m/s，水相實際入口速度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，流動區(qū)域產(chǎn)生湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。流動控制方程采用CFD軟件FLUENT16求解，求解方法為SIMPLE算法，各項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，給定轉(zhuǎn)速后即可設(shè)置迭代步長進(jìn)行計算。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 開啟過程的油水環(huán)狀流演變

動態(tài)模擬主要是為了探究不同的閥門開啟速度對閥后流場的影響，由于閥門開啟是動態(tài)過程，相對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)閥門初始時刻開度為 5%，分別對閥門開啟時間為 1，2，3s（閥門開度從5%到100%所用時間，時間越長，速度越慢）進(jìn)行動態(tài)模擬，如圖4所示為開啟時間為1s時的流動情況。

圖4 開啟時間為1s時不同開度的流動

由模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)閥門開度較小時，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。在閥門開度達(dá)到70%時已經(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，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算結(jié)果中的環(huán)狀流要穩(wěn)定一些，這說明閥門動態(tài)開啟對油水環(huán)狀流有強烈的擾動作用，會導(dǎo)致環(huán)狀流失穩(wěn)。

圖5 固定開度下的模擬結(jié)果

針對不同開啟速度下的動態(tài)模擬（對比圖4與圖6）可以發(fā)現(xiàn)，不同的閥門開啟速度對整個流場的變化規(guī)律有些影響，開啟速度越慢，閥后的流動擾動越小，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，閥后流動擾動較大，環(huán)狀流容易遭到破壞，同時管道內(nèi)部由于閥門突然開啟而驟然增大的壓力會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，隨著開啟速度增加，每個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，趨勢則相反，最終在閥門全開時，油相體積分?jǐn)?shù)均趨近于入口油相體積分?jǐn)?shù)。這是因為在小開度下，開啟速度增加，閥芯對流動擾動較大，使兩相流體的部分流動速度發(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。

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，使得流體在各個開度下的流動時間減小，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，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。對比固定開度的模擬結(jié)果，動態(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)動對油水環(huán)狀流有明顯的擾動作用。

（2）由于閥芯的運動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，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）開啟速度變化對環(huán)狀流的穩(wěn)定性有影響，開啟速度較大時，環(huán)狀流容易被破壞，同時管內(nèi)壓力發(fā)生劇烈變化，開啟過程中流體在管道內(nèi)的流動時間減少，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)彈與航天運載技術(shù)，2007，25（6）：35-39.

［2］屈鐸，彭利坤，林俊興等.基于CFD的球閥閥腔流場的數(shù)值仿真［J］.液壓與氣動，2014，39（11）：112-115.

［3］楊國強，李志鵬.基于Fluen t的球閥內(nèi)部流場的仿真模擬及研究［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2014，33（12）：1880-1883.

［4］王朝富，盧鑒，李強，等.強制密封球閥流場模擬與分析［J］.閥門，2014，43（5）：39-41.

［5］江帆，岳鵬飛，肖納.不同物性的流體在球閥內(nèi)流動結(jié)構(gòu)研究［J］.寧夏大學(xué)學(xué)報，2016，36（3）：25-30.

［6］劉華坪，陳浮，馬波.基于動網(wǎng)格與技術(shù)的閥門流場數(shù)值模擬［J］.汽輪機技術(shù)，2008，50（2）：106-108.

［7］ Fan Jiang，Yun Long，Yijun Wang，et al. Numerical simulation of non-newtonian core annular flow through rectangle return bends ［J］. Journal of Applied Fluid Mechanics，2016，9（1）：431-441.

［8］顏勤偉，丁無極，陳海云，等.基于背壓修正的安全閥排量精確計算方法［J］.壓力容器，2015，32（6）：40-48.

［9］丁浩，谷小紅，來雨霏.汽車空調(diào)用熱力膨脹閥性能測試系統(tǒng)的研制［J］.機電工程，2015，32（6）：817-820.

［10］郭崇志，孫耀平，宋書偉.安全閥穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)數(shù)值模擬技術(shù)對比研究［J］.壓力容器，2015，32（2）：27-34.

［11］江帆，黃鵬.FLUENT高級應(yīng)用與實例分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

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)基金項目（2016A030313653）；廣州市科技計劃項目（201504291436202）；廣東省科技計劃項目（2015A070710029，2015A030402009，2014A070711023）

江帆（1974-），男，博士，教授，主要從事機械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號廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，E-m ail：jiang fan330@163.com。