翁武秀　張高源　滕媛媛　李璐瑤

摘要：? 為研究蒸汽吹掃過程中在閥門關(guān)閉時其內(nèi)部的氣液流動情況以及溫度場變化狀態(tài)，使用Ansys/FLUENT軟件分析閥門內(nèi)部的氣液兩相流和溫度場的變化，以此仿真高溫蒸汽排水和熱傳導(dǎo)的過程，并利用熱-流-固耦合進(jìn)一步分析蒸汽吹掃是否會對閥門密封性產(chǎn)生影響，從而探究蒸汽吹掃在解決閥門長期水下工作時海生物吸附問題，以及在低溫潮濕環(huán)境下去除霜凍凝露的可行性。

關(guān)鍵詞：? 通海閥; Ansys/FLUENT; 兩相流; 瞬態(tài)熱分析; 熱-流-固耦合

中圖分類號：? TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? B

Simulation analysis of sea valve steam purge

based on FLUENT

WENG Wuxiu ZHANG Gaoyuan TENG Yuanyuan LI Luyao

（1. Shanghai Hudong Shipbuilding Valve Co.， Ltd.， Shanghai 201913， China;

2. Logistics Engineering College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract： In order to study the gas-liquid flow and temperature field change in the valve when it is closed in the process of steam purge， Ansys/FLUENT is used to analyze the gas-liquid two-phase flow and temperature field change， and to simulate the process of high-temperature steam drainage and heat conduction. Furthermore， the thermal-fluid-structure coupling is used to further analyze whether the steam purge will have an impact on the valve sealing， and to study the feasibility of steam purge in solving the problem of marine biological adsorption when it works undersea for a long time， and in removing frost and condensation in low temperature and humid environment.

Key words： sea valve; Ansys/FLUENT; two-phase flow; transient thermal analysis; thermal-fluid-structure coupling

基金項目：? 2020年度上海市JMRH發(fā)展專項資金科技創(chuàng)新支持項目（2020-jmrh1-jk32）

作者簡介： 翁武秀（1982—），男，福建福清人，碩士，研究方向為機(jī)械工程，（E-mail）wwx_2021@163.com;

張高源（1998—），男，山西大同人，碩士研究生，研究方向為流熱固耦合分析，（E-mail）569832340@qq.com0引言

通海閥在海洋環(huán)境中使用，很容易被小型貝殼類海洋生物吸附，堵塞閥瓣運動，進(jìn)而影響閥門的正常使用;當(dāng)閥門處于長期關(guān)閉狀態(tài)和低溫潮濕環(huán)境中時，容易產(chǎn)生霜凍凝露，固結(jié)手輪螺紋套，使閥門無法正常動作，需要外部力量輔助開合閥門。

通過定期蒸汽吹掃可以去除通海閥表面吸附不久的海洋生物并破壞海洋生物的穩(wěn)定生存環(huán)境，保障閥門正常工作;在通入蒸汽的過程中，熱蒸汽持續(xù)停留在閥體內(nèi)部，與閥體腔內(nèi)海水和閥體本身進(jìn)行熱交換，有效去除霜凍凝露。在閥門內(nèi)部通入熱蒸汽后，會導(dǎo)致密封圈變形，因此需要對閥門進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，檢驗蒸汽吹掃是否對密封性造成不利影響。

本文研究涉及多個閥門口徑，直接進(jìn)行實驗時間長、費用高，且容易受到實驗設(shè)備、場所、檢測精度以及人工操作等因素的影響，理論分析對計算對象的抽象和簡化又易造成模型的精度損失，而CFD方法利用計算機(jī)進(jìn)行虛擬實驗，可以克服前面2種方法的不足，并且具有邊界參數(shù)調(diào)整方便、實驗環(huán)境理想、實驗周期短等特點[1]。當(dāng)然，CFD方法計算時間長，且其采用的網(wǎng)格法降低實驗精度，計算結(jié)果可能與實際情況不符，因此需要在仿真之外進(jìn)行現(xiàn)場實驗，以配合驗證仿真結(jié)果。本文在仿真研究中對多個口徑的閥門均進(jìn)行計算，由于計算過程和結(jié)論相似，故本文主要介紹DN50通海閥的仿真實驗過程。

1實體模型建立

DN50通海閥模型由通海閥和吹洗閥2部分組成（見圖1）。通海閥由閥體、閥盤、閥蓋、閥桿、螺紋套和手輪等部分組成，按照實際安裝順序裝配好，并處于常閉狀態(tài)。強(qiáng)度實驗壓力為0.6 MPa、時間≥10 min，密封實驗壓力為0.44 MPa，時間≥2 min。吹洗閥為青銅截止閥。蒸汽吹掃使用NBS-12 kW蒸汽發(fā)生器，飽和蒸汽溫度171 ℃、額定工作壓力0.7 MPa、額定蒸發(fā)量16 kg/h。工作時蒸汽接到吹洗閥上，溫度調(diào)至140 ℃、工作壓力調(diào)至0.3 MPa。

通海閥模型見圖2。建模時需建立通氣管模型，以便雙向流分析時進(jìn)行計算緩沖，穩(wěn)定后易于收斂。

2流場分析

2.1網(wǎng)格劃分

由于閥門是關(guān)閉的，蒸汽由通氣管通入吹洗閥，

將閥體內(nèi)部水排出，流場主要存在于吹洗閥和閥體下腔內(nèi)部，因此可以簡化計算，選取通氣管、吹洗閥和閥體下腔內(nèi)部作為流場域，并劃分網(wǎng)格（見圖3）。模型網(wǎng)格的最小正交質(zhì)量為1.909 34×10^-1，最大縱橫比為63.486 5，節(jié)點476 869個，單元154 294個，網(wǎng)格質(zhì)量可以滿足仿真要求[2]。

2.2邊界條件設(shè)定

模型的進(jìn)、出口見圖4，取1相為蒸汽，2相為水。進(jìn)口1相表壓力為0.3 MPa，溫度為140 ℃，2相體積分?jǐn)?shù)為0;出口1相表壓力為0，2相表壓力為0.1 MPa，溫度為0 ℃，回流體積分?jǐn)?shù)取1[3]。由于有細(xì)長管道，而且涉及熱傳導(dǎo)率的共軛問題，單精度求解器不能有效地傳導(dǎo)邊界信息[4]，為提高計算精度，選擇雙精度求解器;模型設(shè)置為volume of fluid，計算涉及表面張力，為提高計算收斂性，密度求解器采用隱式格式，時間選用瞬態(tài)[5];其他采用默認(rèn)值，同時考慮重力加速度影響。當(dāng)熱蒸汽通入閥門時，閥門內(nèi)部的排水過程中會形成旋轉(zhuǎn)流動，而常用的k-ε模型并不適合模擬旋轉(zhuǎn)流動[6]，因此選用k-ω模型。壓力求解器使用耦合式算法（FLUENT提供的是coupled算法）。

2.3計算結(jié)果

通過后處理可得兩相流體積占比和溫度場動畫，反映流體域內(nèi)氣液兩相流動和熱交換情況。如圖5所示，第2 209步熱蒸汽將海水全部排出。仿真結(jié)果說明蒸汽排水的方法可行，通過吹掃造成氣液流動，可以去除表面剛吸附的海生物;通過高溫破壞海生物的生存環(huán)境，可達(dá)到避免海生物吸附的目的。

3瞬態(tài)熱分析

3.1網(wǎng)格劃分

瞬態(tài)熱分析需要對通海閥的所有部分進(jìn)行分析計算，因此對完整模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格尺寸為0.005 m，有節(jié)點280 305個，單元149 263個。

3.2熱交換定義

通入蒸汽且排水完成后并不會立即停止通蒸汽，而是繼續(xù)保持一段時間，因此在通海閥上會有與外部媒介的對流換熱和自身的熱傳導(dǎo)過程。

固流之間的對流換熱采用以下公式：

Q_α=αA（T_w-T_f） （1）

q_α=α（T_w-T_f） （2）

式中：Q_α為單位時間內(nèi)的對流換熱量，W;q_α為單位時間單位面積的對流換熱量W/m²;T_w為固體壁面溫度，℃;T_f為流體溫度，℃;α為對流換熱系數(shù)，W/（m²·℃）;A為對流換熱面積，m²。

固體不同部位溫度也有差異，根據(jù)傅里葉定律，熱傳導(dǎo)公式[7]為：Qλ=-λAaT/an （3）

q_λ=Qλ/A=-λaT/an （4）

式中：Q_λ為熱流量，W;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）;q_λ為單位面積的熱流量，W/m²;T為溫度，℃;A為面積，m²。

在前處理中將模型分為4部分，分別為閥體上腔、下腔、外壁和吹洗閥等。吹洗閥和閥體下腔內(nèi)部充滿蒸汽，閥體上腔內(nèi)部充滿水（見圖7）。

通入的蒸汽與吹洗閥和閥體下腔內(nèi)壁對流換熱，水與閥體上腔內(nèi)壁對流換熱，整個閥門外壁與外部空氣對流換熱，通海閥本身有熱傳導(dǎo)過程。

為模擬低溫潮濕環(huán)境下產(chǎn)生的霜凍凝露現(xiàn)象，將環(huán)境溫度設(shè)為0。為去除霜凍凝露，向閥體內(nèi)源源不斷通入蒸汽時，由兩相流分析可知，吹洗閥和閥體下腔內(nèi)壁溫度持續(xù)保持140 ℃。為簡化計算，可以忽略蒸汽與吹洗閥和閥體下腔內(nèi)壁的對流換熱，設(shè)置閥體上腔內(nèi)壁與水的對流換熱系數(shù)為1 200 W/（m²·℃），閥門外壁與空氣的對流換熱系數(shù)為5 W/（m²·℃）。

3.3計算結(jié)果

設(shè)置求解時間為600 s，通海閥整體溫度場見圖8，整體的最低溫度達(dá)到63 ℃，可以去除霜凍凝露。在工作時需最快速去除手輪螺紋套霜凍固結(jié)，以擰動手輪，便于閥門正常打開，因此要著重記錄螺紋套處的溫度變化（見圖9）。該處在50 s時已達(dá)到1 ℃，高于冰點，解除固結(jié)。

4穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)場分析

4.1前處理

為研究通入蒸汽后是否會對閥門的密封性產(chǎn)生影響，需要進(jìn)行穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)場分析。穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)場分析所用模型和網(wǎng)格與瞬態(tài)熱分析相同。通海閥依靠法

蘭與船上管路連接固定，因此約束應(yīng)設(shè)置在法蘭內(nèi)部的管接頭處（見圖10）?？紤]熱-流-固耦合作用，需將前述流場計算的壓力和瞬態(tài)熱分析的溫度結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)場中。

4.2計算結(jié)果

每次蒸汽吹掃的時間最多600 s。如圖11所示，通海閥密封圈處的變形量約為0.001 mm，遠(yuǎn)小于工程上設(shè)定的許可變形量，說明蒸汽吹掃不會對通海閥的密封性造成不利影響。

5試驗驗證

為驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在青島海水環(huán)境試驗場地使用3組DN125口徑的通海閥進(jìn)行為期3個月的對照試驗。A組閥累計吹掃11次，B組閥累計吹掃3次，C組閥未進(jìn)行吹掃處理。

3個月后，A組閥未在閥內(nèi)發(fā)現(xiàn)附著海生物，但是由于通入熱蒸汽原因，A組閥在閥內(nèi)形成多處銅綠（見圖12）;B組閥未在閥內(nèi)發(fā)現(xiàn)附著海生物，在閥內(nèi)形成少量銅綠;C組閥閥底發(fā)現(xiàn)附著海生物，未形成明顯銅綠。

另外，將通海閥放在露天潮濕環(huán)境中，表面形成霜凍凝露后進(jìn)行蒸汽吹掃，觀察去除霜凍凝露的效果。共進(jìn)行3次試驗，蒸汽吹掃前后通海閥表面上濕下干;蒸汽吹掃約1 min后，手輪可擰動;約5 min后，通海閥由底部至頂部凝露逐漸去除。

6結(jié)論

（1）流場分析結(jié)果說明，蒸汽吹掃可以排空閥體內(nèi)部海水，達(dá)到破壞海生物生長環(huán)境的目的，但熱蒸汽會加速通海閥腐蝕形成銅綠。試驗證明，每月1次吹掃最為合適。

（2）瞬態(tài)熱分析結(jié)果說明，當(dāng)通海閥由于霜凍凝露無法開合時，吹掃1 min后即可開關(guān)通海閥。

（3）穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)場分析結(jié)果說明，蒸汽吹掃所造成的密封圈變形遠(yuǎn)小于工程許可變形，不會對通海閥的密封性造成不利影響。參考文獻(xiàn)：

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