基于FLUENT的通海阀蒸汽吹扫仿真分析

翁武秀　张高源　滕媛媛　李璐瑶

摘要：  为研究蒸汽吹扫过程中在阀门关闭时其内部的气液流动情况以及温度场变化状态，使用Ansys/FLUENT软件分析阀门内部的气液两相流和温度场的变化，以此仿真高温蒸汽排水和热传导的过程，并利用热-流-固耦合进一步分析蒸汽吹扫是否会对阀门密封性产生影响，从而探究蒸汽吹扫在解决阀门长期水下工作时海生物吸附问题，以及在低温潮湿环境下去除霜冻凝露的可行性。

关键词：  通海阀; Ansys/FLUENT; 两相流; 瞬态热分析; 热-流-固耦合

中图分类号：  TB115.1文献标志码：  B

Simulation analysis of sea valve steam purge

based on FLUENT

WENG Wuxiu ZHANG Gaoyuan TENG Yuanyuan LI Luyao

（1. Shanghai Hudong Shipbuilding Valve Co.， Ltd.， Shanghai 201913， China;

2. Logistics Engineering College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract： In order to study the gas-liquid flow and temperature field change in the valve when it is closed in the process of steam purge， Ansys/FLUENT is used to analyze the gas-liquid two-phase flow and temperature field change， and to simulate the process of high-temperature steam drainage and heat conduction. Furthermore， the thermal-fluid-structure coupling is used to further analyze whether the steam purge will have an impact on the valve sealing， and to study the feasibility of steam purge in solving the problem of marine biological adsorption when it works undersea for a long time， and in removing frost and condensation in low temperature and humid environment.

Key words： sea valve; Ansys/FLUENT; two-phase flow; transient thermal analysis; thermal-fluid-structure coupling

基金项目：  2020年度上海市JMRH发展专项资金科技创新支持项目（2020-jmrh1-jk32）

作者简介： 翁武秀（1982—），男，福建福清人，硕士，研究方向为机械工程，（E-mail）wwx_2021@163.com;

张高源（1998—），男，山西大同人，硕士研究生，研究方向为流热固耦合分析，（E-mail）569832340@qq.com0引言

通海阀在海洋环境中使用，很容易被小型贝壳类海洋生物吸附，堵塞阀瓣运动，进而影响阀门的正常使用;当阀门处于长期关闭状态和低温潮湿环境中时，容易产生霜凍凝露，固结手轮螺纹套，使阀门无法正常动作，需要外部力量辅助开合阀门。

通过定期蒸汽吹扫可以去除通海阀表面吸附不久的海洋生物并破坏海洋生物的稳定生存环境，保障阀门正常工作;在通入蒸汽的过程中，热蒸汽持续停留在阀体内部，与阀体腔内海水和阀体本身进行热交换，有效去除霜冻凝露。在阀门内部通入热蒸汽后，会导致密封圈变形，因此需要对阀门进行结构分析，检验蒸汽吹扫是否对密封性造成不利影响。

本文研究涉及多个阀门口径，直接进行实验时间长、费用高，且容易受到实验设备、场所、检测精度以及人工操作等因素的影响，理论分析对计算对象的抽象和简化又易造成模型的精度损失，而CFD方法利用计算机进行虚拟实验，可以克服前面2种方法的不足，并且具有边界参数调整方便、实验环境理想、实验周期短等特点[1]。当然，CFD方法计算时间长，且其采用的网格法降低实验精度，计算结果可能与实际情况不符，因此需要在仿真之外进行现场实验，以配合验证仿真结果。本文在仿真研究中对多个口径的阀门均进行计算，由于计算过程和结论相似，故本文主要介绍DN50通海阀的仿真实验过程。

1实体模型建立

DN50通海阀模型由通海阀和吹洗阀2部分组成（见图1）。通海阀由阀体、阀盘、阀盖、阀杆、螺纹套和手轮等部分组成，按照实际安装顺序装配好，并处于常闭状态。强度实验压力为0.6 MPa、时间≥10 min，密封实验压力为0.44 MPa，时间≥2 min。吹洗阀为青铜截止阀。蒸汽吹扫使用NBS-12 kW蒸汽发生器，饱和蒸汽温度171 ℃、额定工作压力0.7 MPa、额定蒸发量16 kg/h。工作时蒸汽接到吹洗阀上，温度调至140 ℃、工作压力调至0.3 MPa。

通海阀模型见图2。建模时需建立通气管模型，以便双向流分析时进行计算缓冲，稳定后易于收敛。

2流场分析

2.1网格划分

由于阀门是关闭的，蒸汽由通气管通入吹洗阀，

将阀体内部水排出，流场主要存在于吹洗阀和阀体下腔内部，因此可以简化计算，选取通气管、吹洗阀和阀体下腔内部作为流场域，并划分网格（见图3）。模型网格的最小正交质量为1.909 34×10^-1，最大纵横比为63.486 5，节点476 869个，单元154 294个，网格质量可以满足仿真要求[2]。

2.2边界条件设定

模型的进、出口见图4，取1相为蒸汽，2相为水。进口1相表压力为0.3 MPa，温度为140 ℃，2相体积分数为0;出口1相表压力为0，2相表压力为0.1 MPa，温度为0 ℃，回流体积分数取1[3]。由于有细长管道，而且涉及热传导率的共轭问题，单精度求解器不能有效地传导边界信息[4]，为提高计算精度，选择双精度求解器;模型设置为volume of fluid，计算涉及表面张力，为提高计算收敛性，密度求解器采用隐式格式，时间选用瞬态[5];其他采用默认值，同时考虑重力加速度影响。当热蒸汽通入阀门时，阀门内部的排水过程中会形成旋转流动，而常用的k-ε模型并不适合模拟旋转流动[6]，因此选用k-ω模型。压力求解器使用耦合式算法（FLUENT提供的是coupled算法）。

2.3计算结果

通过后处理可得两相流体积占比和温度场动画，反映流体域内气液两相流动和热交换情况。如图5所示，第2 209步热蒸汽将海水全部排出。仿真结果说明蒸汽排水的方法可行，通过吹扫造成气液流动，可以去除表面刚吸附的海生物;通过高温破坏海生物的生存环境，可达到避免海生物吸附的目的。

3瞬态热分析

3.1网格划分

瞬态热分析需要对通海阀的所有部分进行分析计算，因此对完整模型进行网格划分，模型网格尺寸为0.005 m，有节点280 305个，单元149 263个。

3.2热交换定义

通入蒸汽且排水完成后并不会立即停止通蒸汽，而是继续保持一段时间，因此在通海阀上会有与外部媒介的对流换热和自身的热传导过程。

固流之间的对流换热采用以下公式：

Q_α=αA（T_w-T_f） （1）

q_α=α（T_w-T_f） （2）

式中：Q_α为单位时间内的对流换热量，W;q_α为单位时间单位面积的对流换热量W/m²;T_w为固体壁面温度，℃;T_f为流体温度，℃;α为对流换热系数，W/（m²·℃）;A为对流换热面积，m²。

固体不同部位温度也有差异，根据傅里叶定律，热传导公式[7]为：Qλ=-λAaT/an （3）

q_λ=Qλ/A=-λaT/an （4）

式中：Q_λ为热流量，W;λ为导热系数，W/（m·℃）;q_λ为单位面积的热流量，W/m²;T为温度，℃;A为面积，m²。

在前处理中将模型分为4部分，分别为阀体上腔、下腔、外壁和吹洗阀等。吹洗阀和阀体下腔内部充满蒸汽，阀体上腔内部充满水（见图7）。

通入的蒸汽与吹洗阀和阀体下腔内壁对流换热，水与阀体上腔内壁对流换热，整个阀门外壁与外部空气对流换热，通海阀本身有热传导过程。

为模拟低温潮湿环境下产生的霜冻凝露现象，将环境温度设为0。为去除霜冻凝露，向阀体内源源不断通入蒸汽时，由两相流分析可知，吹洗阀和阀体下腔内壁温度持续保持140 ℃。为简化计算，可以忽略蒸汽与吹洗阀和阀体下腔内壁的对流换热，设置阀体上腔内壁与水的对流换热系数为1 200 W/（m²·℃），阀门外壁与空气的对流换热系数为5 W/（m²·℃）。

3.3计算结果

设置求解时间为600 s，通海阀整体温度场见图8，整体的最低温度达到63 ℃，可以去除霜冻凝露。在工作时需最快速去除手轮螺纹套霜冻固结，以拧动手轮，便于阀门正常打开，因此要着重记录螺纹套处的温度变化（见图9）。该处在50 s时已达到1 ℃，高于冰点，解除固结。

4稳态结构场分析

4.1前处理

为研究通入蒸汽后是否会对阀门的密封性产生影响，需要进行稳态结构场分析。稳态结构场分析所用模型和网格与瞬态热分析相同。通海阀依靠法

兰与船上管路连接固定，因此约束应设置在法兰内部的管接头处（见图10）。考虑热-流-固耦合作用，需将前述流场计算的压力和瞬态热分析的温度结果导入结构场中。

4.2计算结果

每次蒸汽吹扫的时间最多600 s。如图11所示，通海阀密封圈处的变形量约为0.001 mm，远小于工程上设定的许可变形量，说明蒸汽吹扫不会对通海阀的密封性造成不利影响。

5试验验证

为验证仿真结果的准确性，在青岛海水环境试验场地使用3组DN125口径的通海阀进行为期3个月的对照试验。A组阀累计吹扫11次，B组阀累計吹扫3次，C组阀未进行吹扫处理。

3个月后，A组阀未在阀内发现附着海生物，但是由于通入热蒸汽原因，A组阀在阀内形成多处铜绿（见图12）;B组阀未在阀内发现附着海生物，在阀内形成少量铜绿;C组阀阀底发现附着海生物，未形成明显铜绿。

另外，将通海阀放在露天潮湿环境中，表面形成霜冻凝露后进行蒸汽吹扫，观察去除霜冻凝露的效果。共进行3次试验，蒸汽吹扫前后通海阀表面上湿下干;蒸汽吹扫约1 min后，手轮可拧动;约5 min后，通海阀由底部至顶部凝露逐渐去除。

6结论

（1）流场分析结果说明，蒸汽吹扫可以排空阀体内部海水，达到破坏海生物生长环境的目的，但热蒸汽会加速通海阀腐蚀形成铜绿。试验证明，每月1次吹扫最为合适。

（2）瞬态热分析结果说明，当通海阀由于霜冻凝露无法开合时，吹扫1 min后即可开关通海阀。

（3）稳态结构场分析结果说明，蒸汽吹扫所造成的密封圈变形远小于工程许可变形，不会对通海阀的密封性造成不利影响。参考文献：

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[4]阮龙飞. 管道气液两相流流型及热-流-固耦合数值模拟研究[D]. 荆州： 长江大学， 2015.

[5]吴昊. 基于FLUENT的两种油气分离器分离效率分析[J]. 计算机辅助工程， 2016， 25（2）： 52-56. DOI： 10.13340/j.cae.2016.02.010.

[6]买买提明·艾尼， 陈华磊， 王晶. Ansys Workbench18.0有限元分析入门与应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2018.

[7]杨小玉， 李阳， 赵世龙， 等. FLUENT软件在传热分析中的应用[J]. 工业加热， 2018， 47（1）： 1-4. DOI： 10.3969/j. issn. 1002-1639.2018.01.001.（编辑陈锋杰）