超高压平板闸阀流场数值模拟及流阻特性分析

韩 晟,韩 栋,吴 晗

(江苏苏盐阀门机械有限公司,江苏 盐城 224500)

0 引言

平板闸阀以其优越的流量调节能力,广泛应用于管线系统,其突出的优点是结构简单且流阻较小,目前越来越多地应用于石油、天然气的输送。在超高压工况下,平板闸阀能够在强大的压力下保持封闭状态,防止介质的流通或泄露。而且平板闸阀使用便捷,容易掌控,在各种强压类型的工程系统中被广泛使用[1]。

阀门中流体的流动问题极其复杂,很难得到流场的解析解。随着数值方法的不断完善和计算机技术的不断发展,计算流体力学(CFD)成为流场分析的重要工具,其具有很高的可视化程度,且准确性较高,在阀门的设计优化中发挥着越来越重要的作用[2-3]。

穆岩等[4]利用CFD方法对闸阀进行流动特性分析与流道优化设计,得到了优化后闸阀的速度场与压力场。李艳等[5]运用数值模拟方法分析了平板闸阀的受力状态,并进行了结构改进。

本文以某公司生产的PFF180-140-00超高压平板闸阀为研究对象,采用流体分析软件研究该平板闸阀在不同开度下的流场特性与流阻特性。

1 超高压平板闸阀模型

本文所研究的超高压平板闸阀,其具体结构如图1所示,超高压井口闸阀由阀杆护套、手轮、止推轴承、阀杆螺母、阀杆、轴承座、阀盖、阀体、阀板、阀座、尾杆等组成。其中,阀板与阀杆利用T型槽挂接,阀板与阀座靠波形弹簧相互自由贴紧。当顺(逆)时针旋转手轮时,手轮带动铜螺母旋转,阀杆向下(上)移动,从而带动阀板下(上)行[6]。

图1 超高压平板闸阀

2 阀门的流阻特性

阀门的压降表示的是阀门进出口两端的压力差,代表着流体流过阀门的能量损失,用ΔP表示,其计算公式为:

式中:前一项代表阀门进出口的静压差;后一项代表阀门进出口的动压差。

阀门的开度影响着介质通过流量的大小,工程实际中常用流量系数评价阀门的流通能力,其定义为阀门前后压差在105Pa时,温度为5～40 ℃的水每小时通过阀门的立方米数,用KV表示,KV值越大,表示其流通能力越好。其计算公式如下[7]:

式中:Q为流体介质的体积流量,计算方法为v,m3/h;ρ为流体介质的密度,kg/m3;ΔP为阀门两端压差102Pa。

当流体介质通过阀门时,在阀门过流截面的节流作用下,阀门内部及其下游流场会产生一系列的流体旋涡,造成流体流速的不均匀,增加了局部能量损失。工程上普遍采用阻力系数来描述阀门对流体的阻碍程度,其数学表达式为:

式中:ξ为阻力系数;γ为流体密度与基准流体(水)密度的比值,即相对密度;为管道中流体介质的平均流速,m/s。

3 闸板的模型建立

3.1 网格模型的建立

流体分析中,只需要建立流道模型,根据模型尺寸,阀体的进口直径为180 mm,闸板厚度为80 mm。阀板将整个流道分为3个部分,即阀前流道、阀板处流道与阀后流道。建立的网格模型如图2所示,其中为了保证进出口流场的平稳性,阀前流道与阀后流道均做了加长处理。

图2 流道网格模型

3.2 求解方法及边界条件

网格模型建立完成后,利用计算流体力学软件做流场分析,设置分析介质为水,其密度为1000 kg/m3。湍流模型采用标准的k-ε模型,壁面条件采用标准无滑移壁面。差分方法采用coupled耦合,边界条件采用速度进口与压力出口,迭代步数为500步,流体的进口速度为12 m/s。为了研究闸板开度对阀门流场特征与流阻特性的影响,建立闸阀在多个开度下的流道模型,开度分别为25%,35%,50%,65%,75%。

4 计算结果与分析

4.1 开度对速度场的影响

数值计算收敛后,提取阀门各个开度(25%,35%,50%,65%,75%)下的速度场,得到的速度云图如图3所示。

图3 速度云图

从图3可以看出,流体在流过阀门的过程中,阀板处流体速度急剧增大,这是由于阀板的存在使得流体的通流面积减小,阀板处流场流速增大。流场中流体的最大流速随着阀门开度的增大而逐渐减小。另外,从图3可以看到,在阀板的后方上部,流场存在明显的低速区,该区域流体速度远低于流场的其他部分,且流场低速区的范围随着阀板开度的减小而逐渐增大。

4.2 开度对压力场的影响

该闸阀在5个开度(25%,35%,50%,65%,75%)下的压力云图见图4。

从图4可以看出,流体的压力场从阀板处发生明显改变,这是因为流体在通过阀板时,由于涡流的产生,增加了压力的损失,使得阀板处与阀板后流场压力降低。从图4还可以看出,随着阀板开度的增大,阀板后方流体的压力场逐渐呈现带状分布。从数值上来看,出口段的压力要小于进口段的压力,且随着阀板开度的增加,减小的趋势逐渐变小。这说明随着阀板开度的增加,流体的压降也逐渐减小。为了更加深入地研究阀板开度与阀门进出口压降之间的关系,提取阀板不同开度下进出口的总压,计算差值得到压 降随开度的变化关系如图5所示。

图4 压力云图

图5 压降随开度的变化规律

从图5可以看出,阀门进出口两端的压差随着阀门开度的增大逐渐减小,且减小的速度逐渐变慢。当阀板开度达到75%以上时,阀门进出口压降趋近于零。

4.3 开度对阀门流阻特性的影响

工程实际中常用流量系数KV评价阀门的流通能力,用阻力系数ξ来描述阀门对流体的阻碍程度。依据数值模拟的结果,通过公式(2)(3)计算得到阀板不同开度下的流量系数与阻力系数,如图6和7所示。

图6 流量系数随开度的变化规律

从图6可以看出,随着阀门开度的增加,阀门的流量系数逐渐增大,且增加速度逐渐变快。而阻力系数却与之相反,随着阀门开度的增加,阀门的阻力系数逐渐减小,且减小的速度逐渐变慢(见图7)。

图7 阻力系数随开度的变化规律

5 结语

(1)流体在流过阀门的过程中,阀板处流体速度急剧增大,流场中流体的最大流速随着阀门开度的增大而逐渐减小。在阀板的后方上部存在低速流场,该处流体速度远低于流场的其他部分,且低速流场的范围随着阀板开度的减小而逐渐增大。

(2)随着阀板开度的增大,阀板后流体的压力场逐渐呈现带状分布,阀门进出口两端的压差随着阀门开度的增大逐渐减小,且减小的速度逐渐变慢。

(3)随着阀门开度的增加,阀门的流量系数逐渐增大,且增加速度逐渐变快。而阻力系数却与之相反,随着阀门开度的增加,阀门的阻力系数逐渐减小,且减小速度逐渐变慢。

(编辑 王永超)