基于CFD的泄压阀启闭过程流场仿真.docxVIP

基于CFD的泄压阀启闭过程流场仿真引言　　泄压阀是石油集输管网中必需的压力保护装置，用以防止管路中因水力状态改变发生水击现象时对阀门以及管路的破坏，其性能的可靠与否影响着输油管路在特殊情况下的安全运行[1]。由于国内缺乏基础研究，该类阀门长期依赖进口。　　本文采用数值模拟方法深入研究泄压阀启闭过程中的内部流场特性及各流动特性参数对流场的影响规律，旨在提高泄压阀的工作稳定性，避免泄压阀泄放后不平稳关闭造成的阀门次生破坏。　　1、模型建立　　1.1 工作原理　　图1泄压阀结构　　泄压阀如图1所示，其主要由阀体、阀芯、阀芯支撑环、导向套、阀座定位器、阀座O型密封圈、温差平抑氮气瓶及氮气操作系统等部件构成，输油管线在正常压力运行时，氮气控制系统预先充入阀芯腔室的氮气压力使阀芯与阀座密封环紧密贴合，此时流体无法通过阀门。当管线产生瞬时水击波使管内的压力超过氮气压力时，作用在阀芯前方的推力大于阀芯腔室内氮气压力，使阀芯克服其与泄压阀壳体间摩擦力，压缩阀芯腔室内氮气并向后方运动。随着管线内液体迅速泄放至泄压罐中，阀前压力衰减至水击保护压力之下，阀芯腔室内氮气压力大于液体作用在阀芯上的推力并足以克服阀芯与阀芯壳体之间摩擦力，氮气膨胀推动阀芯运动，直至阀芯与阀座密封环再次贴合泄压阀关闭[2][3]。　　1.2 几何模型　　本文主要研究泄压阀开启过程的动态特性，其主要结构参数如下：入口直径110mm，出口直径102mm，阀芯行程45mm，阀芯直径100mm，流道长度290mm，阀芯壳体直径123mm，阀体内腔最大尺寸162mm。由于泄压阀内部结构复杂，建立模型及网格划分具有一定难度，对模型进行一定程度的简化，在不影响泄压阀开启过程的基础上，同时可以显著降低计算所需时间，减少工作量。图2为泄压阀三维模型。　　　　图2 流体域及阀芯模型　　1.3 数学模型　　对阀门进行物理简化之后，从数学的角度建立控制方程组，并将其离散化、线性化以进行迭代求解[4]。　　连续性方程：　　动量方程：　　　　1.4 边界条件　　（1）进口边界条件为速度入口，入口速度大小根据流量换算得到。　　（2）出口边界条件设为压力出口，设定被压为大气压。　　（3）固定壁面边界条件　　对于固定壁面边界，由于壁面的作用，边界条件按固壁定律处理。即紧贴壁面处流体的速度与壁面的速度相等，应满足u=0， v=0， w=0。壁面接触角为零，即认为壁面是被液相完全浸润的。　　2、流场模拟结果及分析　　2.1 泄压阀启闭过程的压力场分布　　通过对泄压阀启闭过程内部流场进行数值模拟，得出5个不同时刻下的阀内部中心流道x及y截面上的压力云图如图3所示。由图3可知，在0.002s时，泄压阀阀芯微启，阀前压力集中，压力变化范围较小基本维持在3MPa左右；随着入口脉动压力的增大，阀门逐渐开启，在0.05s时，阀前压力增加至5.9MPa，主要集中在阀芯顶部，阀体侧面边缘部分压力显著上升至4MPa左右；0.1s时阀门达到最大开度，此时入口压力脉动达到8.92MPa，同时阀芯侧面边缘会出现局部高压集中的现象；0.3s时，阀门完全关闭，阀前压力衰减至2.29MPa，阀后压力降至1.3MPa。从5个时间点的压力云图分布来看，泄压阀在启闭过程中，阀芯端部易出现压力集中现象。　　　　图3 阀门启闭瞬间不同时刻压力分布　　2.2 泄压阀启闭过程中速度场分布　　图4为泄压阀启闭过程中不同时刻x截面上和y截面上的速度云图，由图可知，0.002s时泄压阀阀芯运动位移较小，阀前流速变化范围较小，阀芯与阀座密封环间流速有较小的波动，阀芯密封面缝隙处最大流速可达30m/s；0.05s时，阀前整体流速提高至58m/s左右，阀座密封环处流速显著增加，最大流速已达112.7m/s，阀出口边缘出现高速流集中区域；0.1s时阀芯达到最大位移，阀前流速已增加至87.2m/s，阀芯密封面流道处的流速趋于稳定，但出口边缘处最大流速急剧增大至148.8m/s，且出现了大面积高速集中区域；在阀门整个开启过程中，最大速度增长了243.4%左右；随后阀门开始关闭，0.2s时，阀前及阀后流速均大幅度下降，阀芯密封面与阀座密封环未接触部分出现了高速流速集中现象，最大速度达到85.4m/s；0.3s时，阀门完全关闭，阀内流道流速趋于平稳状态，没有速度集中区域的产生。从5个时间点的流速分布来看，在泄压阀启闭过程中，阀座密封面会出现，在最大开度下阀后流道同样出现高速流集中现象。　　　　图4阀门启闭瞬间不同时刻速度分布　　2.3 泄压阀启闭过程中阀芯各端面受力分析　　为考察阀芯在启闭过程中的受力情况，分别选取阀芯锥面、阀芯密封面、阀芯反向环面、阀芯圆柱面四个典型的受力端面如图5所示，研究其在泄压阀启闭过程中的受力变化规律。　　　　图5阀芯各取压端面示意图　　　　图6 阀芯