基于Fluent的水击泄压阀阻力系数研究

朱万春 王炤东 林 珅 陈 鹏

(1.中石化管道储运武汉输油处；2.浙江工业大学机械工程学院)

阀门是管道系统中应用最广泛的执行机构[1]，氮气式水击泄压阀广泛应用于长原油管道，其主要功能是：当管内原油发生水击，管输压力超过管道的泄放压力(或设定值压力)时，为了使输油管道能适应水力工况的变化、保证输油过程平稳进行和保护管道和所属设备[2]，能够迅速、有效地泄放主管道的超高压力，使原油通过泄放阀、泄放管道至泄放罐，从而减小水击冲击波，避免因输油管线超压而导致管线发生破裂[3，4]。

对安装泄压阀的原油管道工程进行水击防护措施研究时，阻力系数是一项重要参数[5]。利用 Fluent 软件对水击泄压阀内部流场进行仿真研究，分析开度、开启压力和管径对泄压阀工作特性的影响，总结出变化趋势，对输油系统工程设计和水锤防护措施具有十分重要的理论意义和工程应用价值。

1 模型建立

1.1泄压阀结构

水击泄压阀主要由导阀和主阀组成，主阀由阀体、阀塞、阀塞座、阀腔及弹簧等组成。泄压阀内的实际流动是三维的，其内部流道的几何模型如图 1 所示，但是考虑到泄压阀在结构和流动方面的对称性与计算机容量，采用二维轴对称几何模型，简化后如图2所示。

图1 泄压阀内部流道几何模型

图2 简化后的泄压阀内部流道几何模型

1.2网格划分

阀流场的网格模型是数值计算模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体[6]。将图 2 中的流体区域作为求解区域，利用Fluent 前处理软件 Gambit采用局部细化网格法对该求解区域进行网格划分。局部细化网格法顾名思义就是对整个区域划分完网格以后，再对应力梯度变化大的区域进行网格细化加密[7]。考虑到阀口与流道拐角处压力梯度较大，对这两处的网格进行细化，划分网格后阀内二维流场情况如图3所示。

图3 泄压阀二维模型的网格划分

1.3边界条件与解析条件

进出口边界条件分别设置为压力入口和压力出口。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，介质为原油，压力和速度的耦合则采用Simple算法[ 8，9]。

2 仿真结果分析

为了研究开度对泄压阀内部流场的作用，利用Fluent软件对泄压阀的排出过程进行仿真计算。图4、5给出了管径为DN100mm、开启压力为6.4MPa的泄压阀，开度变化时阀内流场的压力和速度分布情况。

a. 开度10%

b. 开度40%

c. 开度80%

a. 开度10%

b. 开度40%

c. 开度80%

由图4 、5可以看出，在进出口压力一定的情况下：当介质流过阀隙时，高压介质通过狭小的过流面积流向低压区域，在此过程中，介质获得了较大的流速，也产生了一定的阻力损失，使压力值急剧下降，实现泄压、消除水击波的效果；随着泄压阀开度不断增大，内部流场发生显著变化，其主要表现在阀内压力峰值和阀隙最大流速都有一定的增大，且入口和出口速度明显增加。

3 阀门阻力系数

阀门的阻力系数取决于阀门产品的尺寸、结构及内腔形状等，根据流体力学理论可知，阀门的阻力特征定义为[10]：

(1)

式中u——截面平均流速；

Δp——阀门进出口压差；

ξ——阀门阻力系数；

ρ——介质密度。

得到阀门阻力系数公式为：

(2)

将仿真计算得到的进出口压差和截面平均流速代入式(2)即可计算出泄压阀的阻力系数。

为了研究泄压阀管径和开启压力对泄压阀工作特性的影响，选择管径规格为DN75、DN100、DN150mm和开启压力分为5.9、6.4、8.5MPa 3种工况，探究泄压阀管径和开启压力对泄压阀阻力系数的影响。

当泄压阀开启压力为6.4MPa时，不同管径(DN75、DN100、DN150mm)泄压阀的阻力系数随开度的变化曲线如图6所示。从图6可以看出，当进口开启压力一定时，随着泄压阀开度的不断增大，其阻力系数呈快速减小趋势，然后趋于平缓；当泄压阀开度小于40%时，随着管径的增大，其阻力系数增加显著，开度大于40%后，则相差很小。

图6 不同管径下泄压阀阻力系数随开度的影响

对不同开启压力(5.9、6.4、8.5MPa)下的泄压阀分别进行模拟，并将模拟结果进行对比分析。不同开启压力下泄压阀的阻力系数随开度的变化曲线如图7所示。由图7可以看出，在不同开启压力下，泄压阀阻力系数随开度减小趋势完全一致，且大小相差甚微。这是由于进出口压差的增大使流速相应增大，从而使阻力系数近乎保持不变，因此开启压力的改变对泄压阀阻力系数几乎没有影响。

图7 不同开启压力下泄压阀阻力系数随开度的影响

4 结论

4.1当阀门开度小于40%时，泄压阀阻力系数随阀门开度增大而迅速减小；当阀门开度大于40%时，随阀门开度增大，阻力系数减小缓慢。

4.2泄压阀的阻力系数不仅与开度有关，还与泄压阀管径有关，但泄压阀开启压力对阀阻力系数影响不大。

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