往复式油气混输泵组合阀流场数值模拟

张生昌，陈锡栋，邓鸿英，柯愈龙

（浙江工业大学，杭州310014）①

近年来，油气混输技术迅速发展，已成为我国石油工业持续发展的关键技术之一，而往复式油气混输泵是油气混输增压的一种关键设备［1－4］。进出口阀是往复式油气混输泵最关键的元件，其工作特性将直接影响泵的性能和寿命。目前，国内外对于往复泵阀的研究主要集中在输送介质为不可压缩的液体，而且在不考虑介质含气量的情况下对阀内流场进行分析［5－8］，有关气液两相工况下往复泵阀流场的相关研究尚未见报导。

利用Fluent软件对往复式油气混输泵组合阀流场进行仿真研究，分析不同气液比、不同最大开启高度对组合阀工作特性的影响，总结出变化趋势，对于往复式油气混输泵进出口阀组的设计计算具有十分重要的理论意义和工程应用价值。

1 建立建模

1.1 工作参数

对往复式油气混输泵组合阀进行仿真计算时，相关的工作参数主要包括泵速、活塞行程及活塞直径。其中：泵速n＝240r／min，行程S＝90mm，活塞直径D＝150mm，从而可以求得三缸双作用往复泵的实际流量［9］为

其中：

式中：A为活塞截面积，m2；Z为活塞数；ηV为容积效率；Dr为活塞杆直径，m。

由于三缸双作用往复式油气混输泵每一个缸都配有2个阀，因此通过每个组合阀的实际流量为m3／h。

1.2 组合阀结构和网格划分

组合阀主要由阀芯、阀体及附属的弹簧、螺栓、密封件等构成，结构如图1所示。该阀采用立式布置方式，阀体外圈为进口，内圈为出口。

图1 组合阀总体结构

组合阀内部流道的三维几何模型如图2。计算区域的主要参数：入口的水力直径为16mm；阀体内圈8个孔流道的直径为8mm；出口为8个孔，直径为15mm；排出阀芯直径为46mm，厚度为5mm。

图2 组合阀内部流道几何模型

利用Gambit软件对图2的求解区域进行网格划分。由于组合阀内流道的复杂性和孔流道、节流口对流场的影响，依照阀的几何特征，对网格进行了细化。综合组合阀内部流道的结构，考虑到在阀口和流道拐角处压力梯度较大，在这2处区域进行了网格细化，而入口处的网格画得较粗［10］，划分网格后阀内流场如图3所示。

图3 划分网格后阀内流道几何结构

1.3 解析条件

进出口边界条件分别设置为流量入口和压力出口。其中：入口流量为16.7m3／h，出口压力为2.0 MPa。在数值模拟时，采用压力基、隐式、稳态求解器。湍流模型选择标准的k－ε模型，多相流模型采用两相的Mixture模型，两相介质为理想的油和天然气，油为第1相，天然气为第2相，压力和速度的耦合则采用 SIMPLE 算法［11－12］。

2 仿真结果分析

为了研究最大开启高度、介质气液比对组合阀工作特性的影响，将最大开启高度、介质气液比作为变量。选择最大开启高度为3、4、5、6、7mm 5种工况；介质气液比β0为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，观察最大开启高度和介质气液比共同作用所带来的影响。模拟时保持进口流量和出口压力不变，然后利用FLUENT软件对组合阀的排出过程进行仿真计算。

图4给出了介质气液比β0＝0.2、阀芯最大开启高度变化时，阀内流场的压力分布情况。图5给出了阀芯处于同一最大开启高度3mm、介质体积含气率不同时，阀内流场的压力分布。受篇幅限制，只给出部分有代表性的仿真计算结果。

图4 不同最大开启高度下的压力云图

图5 不同气液比下的压力云图

由图4～5可以看出，在进口流量以及出口压力一定的情况下：

1） 由于组合阀流道的复杂性，当气液两相介质流经阀时，除了在阀隙处出现压力值急剧下降的现象外，在介质流入孔流道瞬间，由于过流面积发生突变，导致在该处也出现了较大的压力变化。

2） 在介质气液比保持恒定时，随着阀芯最大开度的增大，阀入口处的压力开始逐渐减小，而出口压力不变。因此组合阀进出口压力差不断减小，说明最大开启高度的增大会导致压降减小。

3） 在阀芯最大开启高度恒定时，随着气液两相介质气液比的增大，阀芯底面的压力不断减小，同时阀进出口压差也呈现出减小的趋势。

图6为不同最大开启高度下介质气液比与组合阀进出口压差关系曲线。

图6 组合阀在不同开启高度时气液比与进出口压差关系曲线

3 流量系数

流量系数是泵阀设计计算最重要的特征参数之一，由于阀内流动的复杂性，在阀口处压力梯度大，反映宏观流动特性的流量系数很难求取。因此在实际应用中是通过检测阀进、出口处的压力来计算流量系数。

对于组合阀流量系数的计算，首先通过模拟得到阀进出口压差，然后根据下式进行求解［6］，即

式中：Cd为阀口流量系数；qV为阀的体积流量，m3／s；Δp 为阀进出口压差，Pa；ρ为介质密度，kg／m3；A（h）为阀隙过流面积，m2。

组合阀的阀隙过流面积为

式中：d为排出阀芯直径，m；h为阀芯最大开启高度，m。

油气两相介质的密度为［13］

式中：β0为介质气液比；ρg为天然气密度，kg／m3；ρl为油液密度，kg／m3。

为确定不同最大开启高度、不同介质气液比下的流量系数，将流量、密度和仿真计算得到的压差代入式（2）进行计算，得到流量系数与不同最大开度、不同气液比的关系，曲线如图7所示。

由图7可知：在最大开启高度一定时，随着介质气液比的增大，流量系数基本保持不变，说明介质气液比对流量系数的影响很小；当介质气液比一定时，随着最大开启高度的增大流量系数减小，说明最大开度对组合阀流量系数的影响较大。

图7 组合阀在不同开启高度时气液比与流量系数关系曲线

4 结论

1） 当介质气液比保持恒定时，随着阀芯最大开度的增大，阀入口处的压力减小，进出口压差减小；而当阀芯最大开启高度恒定时，随着介质气液比的增大，阀芯底面的压力减小，同时阀进出口压差也呈现出减小的趋势。

2） 在最大开启高度一定时，随着介质气液比的增大，流量系数基本保持不变；当介质气液比一定时，流量系数随着最大开启高度的增大而减小。

［1］Schoener H J.Multiphase help for gas reduction［J］.Word Pumps，2009（9）：24－28.

［2］宫 敬.混相输送技术与应用［J］.油气储运，2003，22（9）：35－38.

［3］高文凯，梁 政，钟功祥，等.往复泵自动球阀运动规律研究［J］.流体机械，2007，35（11）：37－41.

［4］董世民，王尊策，李德富，等.往复泵自动球阀的精确运动微分方程及其数值解［J］.力学与实践，1999，21（5）：28－31.

［5］杨国安，黄 聪，于 丽.基于FLUENT的钻井泵阀隙流场仿真计算［J］.石油矿场机械，2008，37（3）：41－44.

［6］郑淑娟，权 龙，陈 青.阀芯运动过程液压锥阀流场的CFD计算与分析［J］.农业机械学报，2007，38（1）：169－172.

［7］Davis J A，Stewart M.Predicting Globe Control Valve Performance—Part I：CFD Modeling ［J］.Journal of Fluids Engineering，2002，124（3）：772－777.

［8］鲍慧梅.高精度计量泵的泵阀运动规律分析及优化设计［D］.杭州：浙江工业大学，2008.

［9］《往复泵设计》编写组.往复泵设计［M］.北京：机械工业出版社，1987.

［10］张晓东，李俊华.基于Fluent的锥形节流阀流场数值模拟［J］.石油矿场机械，2009，38（9）：50－52.

［11］Chen Q，Stoffel B.CFD simulation of a hydraulic servo valve with turbulent flow and cavitation［J］.ASME，PVP，2004，491（1）：197－203.

［12］于 勇，张俊明，姜连田.FLUENT入门与进阶教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2010.

［13］李宝宽，霍慧芳，栾叶君，等.RH真空精炼系统气液两相循环流动的均相流模型［J］.金属学报，2005，41（1）：61－63.