基于cfd的泄壓閥啟閉過程流場(chǎng)仿真

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1、基于CFD的泄壓閥啟閉過程流場(chǎng)仿真引言泄壓閥是石油集輸管網(wǎng)中必需的壓力保護(hù)裝置，用以防止管路中因水力狀態(tài)改變發(fā)生水擊現(xiàn)象時(shí)對(duì)閥門以及管路的破壞，其性能的可靠與否影響著輸油管路在特殊情況下的安全運(yùn)行[1]。由于國內(nèi)缺乏基礎(chǔ)研究，該類閥門長期依賴進(jìn)口。本文采用數(shù)值模擬方法深入研究泄壓閥啟閉過程中的內(nèi)部流場(chǎng)特性及各流動(dòng)特性參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律，旨在提高泄壓閥的工作穩(wěn)定性，避免泄壓閥泄放后不平穩(wěn)關(guān)閉造成的閥門次生破壞。1.模型建立l.i工作原理圖1泄壓閥結(jié)構(gòu)泄壓閥如圖1所示,其主要由閥體、閥芯、閥芯支撐環(huán)、導(dǎo)向套、閥座定位器、閥座o型密封圈、溫差平抑氮?dú)馄考暗獨(dú)?/p>

2、操作系統(tǒng)等部件構(gòu)成，輸油管線在正常壓力運(yùn)行時(shí)，氮?dú)饪刂葡到y(tǒng)預(yù)先充入閥芯腔室的氮?dú)鈮毫κ归y芯與閥座密封環(huán)緊密貼合，此時(shí)流體無法通過閥門。當(dāng)管線產(chǎn)生瞬時(shí)水擊波使管內(nèi)的壓力超過氮?dú)鈮毫r(shí)，作用在閥芯前方的推力大于閥芯腔室內(nèi)氮?dú)鈮毫?，使閥芯克服其與泄壓閥殼體間摩擦力，壓縮閥芯腔室內(nèi)氮?dú)獠⑾蚝蠓竭\(yùn)動(dòng)。隨著管線內(nèi)液體迅速泄放至泄壓罐中，閥前壓力衰減至水擊保護(hù)壓力之下，閥芯腔室內(nèi)氮?dú)鈮毫Υ笥谝后w作用在閥芯上的推力并足以克服閥芯與閥芯殼體之間摩擦力，氮?dú)馀蛎浲苿?dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，直至閥芯與閥座密封環(huán)再次貼合泄壓閥關(guān)閉[2][3]O1.2幾何模型本文主要研究泄壓閥開啟過程的動(dòng)態(tài)特

3、性，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：入口直徑110mm,出口直徑102mm,閥芯行程45mm,閥芯直徑100mm,流道長度290mm,閥芯殼體直徑123mm,閥體內(nèi)腔最大尺寸162mnn。由于泄壓閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立模型及網(wǎng)格劃分具有一定難度，對(duì)模型進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，在不影響泄壓閥開啟過程的基礎(chǔ)上，同時(shí)可以顯著降低計(jì)算所需時(shí)間,減少工作量。圖2為泄壓閥三維模型。圖2流體域及閥芯模型1.3數(shù)學(xué)模型對(duì)閥門進(jìn)行物理簡(jiǎn)化之后，從數(shù)學(xué)的角度建立控制方程組，并將其離散化、線性化以進(jìn)行迭代求解［4］。連續(xù)性方程：動(dòng)量方程：-pF-0z?0-rJW.'H王dPX1.4邊界條件(1

4、)進(jìn)口邊界條件為速度入口，入口速度大小根據(jù)流量換算得到。(2)出口邊界條件設(shè)為壓力出口，設(shè)定被壓為大氣壓。(3)固定壁面邊界條件對(duì)于固定壁面邊界，由于壁面的作用，邊界條件按固壁定律處理。即緊貼壁面處流體的速度與壁面的速度相等；應(yīng)滿足u二0,v二0,w二0。壁面接觸角為零，即認(rèn)為壁面是被液相完全浸潤的。1.流場(chǎng)模擬結(jié)果及分析2.1泄壓閥啟閉過程的壓力場(chǎng)分布通過對(duì)泄壓閥啟閉過程內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,得出5個(gè)不同時(shí)刻下的閥內(nèi)部中心流道x及y截面上的壓力云圖如圖3所示。由圖3可知，在0.002s時(shí),泄壓閥閥芯微啟，閥前壓力集中，壓力變化范圍較小基本維持在3MPa

5、左右；隨著入口脈動(dòng)壓力的增大，閥門逐漸開啟，在0.05s時(shí)，閥前壓力增加至5.9MPa,主要集中在閥芯頂部，閥體側(cè)面邊緣部分壓力顯著上升至4MPa左右Ols時(shí)閥門達(dá)到最大開度此時(shí)入口壓力脈動(dòng)達(dá)到8.92MPa,同時(shí)閥芯側(cè)面邊緣會(huì)出現(xiàn)局部高壓集中的現(xiàn)象；0.3s時(shí)，閥門完全關(guān)閉，閥前壓力衰減至2.29MPa,閥后壓力降至1.3MPao從5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的壓力云圖分布來看，泄壓閥在啟閉過程中，閥芯端部易出現(xiàn)壓力集中現(xiàn)象。t=0.002sx及y中心截面壓力云(a)(b)t=0.05sx及y中心截面壓力云圏inin

6、sx及丫中心截面壓力云圖圖3閥門啟閉瞬間不同時(shí)刻壓力分布2.2泄壓閥啟閉過程中速度場(chǎng)分布圖4為泄壓閥啟閉過程中不同時(shí)刻x截面上和y截面上的速度云圖，由圖可知，0.002s時(shí)泄壓閥閥芯運(yùn)動(dòng)位移較小，閥前流速變化范圍較小，閥芯與閥座密封環(huán)間流速有較小的波動(dòng)/閥芯密封面縫隙處最大流速可達(dá)30m/s;0.05s時(shí)，閥前整體流速提高至58m/s左右,閥座密封環(huán)處流速顯著增加，最大流速已達(dá)112.7m/s,閥出口邊緣出現(xiàn)高速流集中區(qū)域;O.ls時(shí)閥芯達(dá)到最大位移，閥前流速已增加至87.2m/s,閥芯密封面流道處的流速趨于穩(wěn)定，但出口邊緣處最大流速急劇增大至148.8

7、m/s,且出現(xiàn)了大面積高速集中區(qū)域；在閥門整個(gè)開啟過程中，最大速度增長了243.4%左右；隨后閥門開始關(guān)閉，0.2s時(shí)，閥前及閥后流速均大幅度下降，閥芯密封面與閥座密封環(huán)未接觸部分出現(xiàn)了高速流速集中現(xiàn)象，最大速度達(dá)到85.4m/s;0.3s時(shí)，閥門完全關(guān)閉，閥內(nèi)流道流速趨于平穩(wěn)狀態(tài)，沒有速度集中區(qū)域的產(chǎn)生。從5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的流速分布來看，在泄壓閥啟閉過程中，閥座密封面會(huì)出現(xiàn)，在最大開度下閥后流道同樣出現(xiàn)高速流集中現(xiàn)象。j；xaawrI?貝―^-(a>識(shí)ooo2sx及y中心it面IS18云H9■八I二fX9

8、閉瞬間不同時(shí)刻速度分布二■(MMB(c)t^Olsx及Y中心截面住廈云囹