基于CFD的球阀三维流场数值模拟

    球阀具有结构简单、互换性强、装拆方便、便于清洗等优点。为解决油田油气混输难题，将球阀与传统外环流转子泵结合，即在传统外环流转子泵出口增设了1组球阀，使其具有内压缩功能，能更好地适应气液两相工况。目前，对于球阀的研究基本上是针对容积式往复泵球阀，主要建立球阀运动规律的数学模型，研究球阀的开启特性等内容，且工况为纯液态工况；对球阀阀口气穴流场进行的数值模拟与试验研究也局限于液体介质。 目前尚未见有关转子式油气混输泵球阀运动规律的研究报道。因此，对新型转子式油气混输泵出口球阀的研究就显得很有必要。

    随着计算机技术和计算流体力学的发展，应用CFD方法对流场进行分析已经成为泵阀领域的研究热点。因此，实现新型转子式油气混输泵出口球阀三维流场的数值模拟，对于球阀的设计及优化具有重要意义。

    1 球阀结构及网格划分

    1.1 球阀结构

    图1为转子式油气混输泵工作示意图。新型转子式油气混输泵在出口增设球阀以后，介质要通过球阀才能输送到出口管线中。当球阀关闭时，阀球与两转子及端板形成封闭容积V。由于转子不断旋转，封闭容积V不断减小，容积中压力不断升高，直到封闭容积内的压力达到开启压力时，阀球打开，介质被排出。

图1 转子式油气混输泵工作示意图

    图2为出口球阀结构示意图。球阀由阀座和阀球组成，阀球开启后，介质由阀座孔入口流入，通过阀隙进入泵的排液腔。阀座孔直径d=0.065m，阀座锥角α=45°，锥角长度l=0.005m，阀球半径R=0.045m。

图2 出口球阀结构示意图

    1.2 建模与网格划分

    由于出口球阀尺寸相对整台泵非常小，在整台泵计算过程中，难以得到阀隙处的详细流动情况。因此，为了更全面地了解阀隙周围与阀内的压力和速度分布，选取阀座与阀球间隙及阀球两侧部分作为研究对象，进行建模与分析。此外，球阀几何形状简单且为轴对称图形，为了研究方便且减少计算量，采取三维轴对称模型，建立一半计算区域。利用Pro/E软件建立开启高度为3mm时球阀的计算区域模型。将物理模型导入Fluent前处理软件Gambit中进行网格划分。为了划分质量较好的网格，对模型进行了分割并采用六面体/四面体混合单元，由于阀口的压力梯度变化较大，因此对阀口加密了网格，使模拟结果更准确。三维模型及网格如图3所示。同理可得到开启高度分别为5，7mm时的模型和网格。

图3 开启高度为3mm时的模型与网格

    2 模拟计算

    2.1 边界条件

    介质为原油和天然气两相混合物，原油的物理参数设置为ρ_oil=856kg/m³，动力黏度ν=0.0072Pa·s，并假设原油不可压缩；天然气在Fluent自带的材料里选择。

    1） 速度入口。新型转子式油气混输泵的出口阀由3个球阀组成，已知泵的流量为100m³/h，假设通过每个球阀的流量相等且忽略泄漏，则由连续流条件可得通过每个阀座的速度为

        （1）

    式中：υ₀为入口速度，m/s，方向与阀座入口边垂直；Q为泵的流量，m³/h；d为阀座孔直径，m。由入口速度和特征直径计算得到入口雷诺数大于1.2×10⁴，流动为湍流，湍流强度设为10%，水力直径为0.065m。

    2） 压力出口。已知出口绝对压力为1.2MPa。

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    2.2 求解器与算法

    模拟采用隐式压力基求解器，流动为稳态流动． 求解模型选择两相混合模型和标准k－ε湍流模型。压力与速度耦合采用SIMPLE算法。

    3 模拟结果与分析

    3.1 压力场分析

    图4－6为不同含气率条件下，球阀在不同开启高度时对称面上的压力分布云图。    

图4 含气率为25%时对称面上的静压分布

图5 含气率为50%时对称面上的静压分布

图6 含气率为75%时对称面上的静压分布    

    由压力云图可得，当开启高度为3mm，含气率分别为25%，50% ，75% 时，阀球上下压差分别为0.06，0.04，0.02MPa；当开启高度为5mm，含气率分别为25%，50% ，75% 时，阀球上下压差分别为0.04，0.02，0.01MPa；当开启高度为7mm，含气率分别为25%，50% ，75% 时，阀球上下压差分别为0.02，0.01，0.01MPa． 以上分析表明：

    1） 在同一含气率的条件下，随着开启高度的增大，阀球上下压差逐渐减小。

    2） 在某一较小的固定开启高度时，阀球上下压差随含气率增大而减小； 开启高度较大时，含气率对阀球上下压差影响较小。

    3） 含气率大时，阀球上下压差较小且受开启高度的影响较小。

    4） 在球阀的整个流场中，阀隙处的压强最小。

    3.2 速度分析

    图7－9为不同含气率和开启高度下流场Y－Z截面上的速度云图和流线图。

图7 含气率为25%时不同开启高度的速度云图和流线图

图8 含气率为50%时不同开启高度的速度云图和流线图

图9 含气率为75%时不同开启高度的速度云图和流线图    

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    由速度云图可知：气液比一定时，由于过流断面突然减小，阀隙处的流速最大。随着开启高度的增大，阀隙流速不断减小。图7中，开启高度为5mm时，阀隙流速为10m/s；开启高度为7mm时阀隙流速只有7m/s。

    由流线图可知，在阀隙附近有部分介质由于压差的作用回流，之后被阀隙的高速介质带出。例如图7a中的流线所示，部分介质从出口回流，但在阀隙附近流线方向突然改变，与从阀隙流出的介质一起沿着阀球壁附近流出。

    另外，当开启高度为3mm时，含气率分别为25% ，50% ，75% 对应的阀隙流速均为15m/s。由上可知，同一开启高度下，含气率对阀隙流速的影响不大。但同一开启高度下不同含气率的流线不同，如开启高度为3mm时，含气率为75%的流线图出现交叉流线，不同于另外2种开启高度的流线，说明含气率对介质的流动状态有一定的影响。

    3.3 相态分布分析

    图10为开启高度为3mm时，不同含气率的气相体积分数分布云图。

    由图10可知，气相主要分布在阀球壁附近，远离阀球的气相介质逐渐减少。通过模拟结果可知，气相介质密度较小，在阀球开启前，阀球底部分布的主要为气体，球阀开启后，气体介质首先排出。这表明，气液两相分界较为明显，有利于气相介质的单独回收。

图10 不同含气率时气相体积分数分布云图    

    4 结论

    1） 在含气率一定的条件下，随着开启高度的增大，阀球上下压差逐渐减小； 在球阀的整个流场中，阀球底部压力最大； 阀隙处压力梯度大，阀座倒角下端处较容易产生气蚀。

    2）在含气率一定时，阀隙流速随着开启高度的增大不断减小。 部分介质由于压差的作用回流，之后被阀隙的高速介质带出。同一开启高度下，含气率对阀隙速度的影响不大，但对流动状态有一定的影响。

    3）新型转子式油气混输泵在输送气液两相介质时，气相主要分布在阀球壁附近，远离阀球气相介质逐渐减少。