江 帆， 岳鵬飛

(廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

環(huán)狀流在球閥開啟過程的變化狀況研究

江 帆， 岳鵬飛

(廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

環(huán)狀流在閥門中流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化研究對石油水環(huán)運(yùn)輸穩(wěn)定性具有重要意義.采用VOF模型與CSF模型進(jìn)行油水環(huán)狀流在球閥內(nèi)的流動(dòng)模擬，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.比較不同閥門開度對后續(xù)管道中環(huán)狀流油水體積分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果表明，球閥的開度越小，閥后管道內(nèi)油相容易被高速水流切割成小顆粒，不利于后續(xù)石油運(yùn)輸.進(jìn)一步比較了油水環(huán)狀流與石油單相流通過閥門的壓力損失，得到油水環(huán)狀流輸送石油的效率提升效果.

油水環(huán)狀流; 球閥; VOF; 開度; 數(shù)值模擬

油水環(huán)狀流運(yùn)輸由于運(yùn)行阻力小，長途運(yùn)輸節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，是高粘度石油管道運(yùn)輸?shù)闹匾绞街?RUSSELL等首先進(jìn)行了油水環(huán)狀流實(shí)驗(yàn)研究[1]，之后很多研究人員對油水環(huán)狀流進(jìn)行研究.GRASSI等[2]、BENTWICH等[3]進(jìn)行了環(huán)狀流流動(dòng)參數(shù)范圍、壓力差特征、界面結(jié)構(gòu)等方面的研究；JIANG等[4-5]研究彎管結(jié)構(gòu)對油水環(huán)狀流的影響.潘大林等[6]證實(shí)了水環(huán)運(yùn)輸?shù)挠行裕瑮罴训萚7]分析了乳膠基質(zhì)水環(huán)輸運(yùn)的機(jī)理，敬加強(qiáng)等[8]進(jìn)行了稠油流動(dòng)邊界層水基泡沫減阻模擬.但現(xiàn)有研究較少涉及閥門內(nèi)環(huán)狀流的流動(dòng)狀況的分析[9].

石油管道運(yùn)輸中不可避免用到球閥，球閥開閉過程會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的射流、渦旋、水擊等現(xiàn)象[10-12]，這些流動(dòng)特征變化對環(huán)狀流結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生影響，因此，研究環(huán)狀流在球閥開啟過程中的流動(dòng)變化情況對石油穩(wěn)定運(yùn)輸有著重要意義.本文采用數(shù)值模擬方法分析球閥開啟過程中油水環(huán)狀流流動(dòng)的變化，討論不同開度下閥后的環(huán)狀流流動(dòng)，及油水體積分?jǐn)?shù)分布情況，比較了油水環(huán)狀流與石油單相流經(jīng)過閥門的壓力損失，得到油水環(huán)狀流輸送石油的效率提升效果數(shù)據(jù)，為油水環(huán)狀流實(shí)際應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù).

1 控制方程

油水環(huán)狀流在球閥內(nèi)流動(dòng)屬于油水兩相流，采用VOF(Volume of Fluid)模型描述，并結(jié)合LS(Level Set)進(jìn)行油水界面追蹤，它們均遵守連續(xù)性、動(dòng)量守恒方程，由于雷諾數(shù)超過3 000，采用k-ε模型描述湍流狀況，具體表達(dá)式如下[4-5, 13].

(1)

(2)

(3)

2μtEijEij-ρε

(4)

(5)

(6)

式中，t是時(shí)間，i代表水或者油，αi是第i相的體積分?jǐn)?shù)，ρi是第i相的密度，ui是第i相的速度， p是壓力，g是重力加速度，上標(biāo)T是速度矢量的轉(zhuǎn)置，μq是剪切粘性系數(shù)，F(xiàn)σ是外部體積力.k,μt,ε分別是湍動(dòng)能，耗散率，渦流粘度.湍流方程中的常數(shù)為Cμ=0.09, σk=1, σε=1.3, C1ε=1.44, C2ε=1.92，Eij定義如下.

(7)

為了描述油水的界面張力，采用如下的CSF(Continuum Surface Force)模型

(8)

2 計(jì)算模型與分析參數(shù)

對球閥和前后部分管道進(jìn)行適當(dāng)簡化，采用圖1的二維區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域，管道直徑為12 mm，閥芯半徑為8 mm，圖中的閥門開度為45°，計(jì)算區(qū)域總長182 mm，為了分析方便，在閥門中心、左右各2R處取參考截面Ⅰ～Ⅲ.

圖1 計(jì)算區(qū)域模型

圖2 網(wǎng)格模型

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

邊界條件：計(jì)算區(qū)域左邊入口中間8 mm為速度入口，施加油的表觀速度vso，上下2部分為水入口，施加水的表觀速度vsw.其他為邊界無滑移的壁面，與水的接觸角為27°.

兩相的物性參數(shù)：高粘度的油，ρo=960 kg·m-3，μo=0.22 Pa·s，水，ρw=998.2 kg·m-3,μw=0.001 003 Pa·s，兩相的表面張力為0.039.

計(jì)算設(shè)置：將水定義為主相，油定義為次相，計(jì)算區(qū)域初始化：全部區(qū)域充滿水.多相流計(jì)算選用壓力-速度耦合方法，并設(shè)置為缺省的Phase Coupled SIMPLE算法.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由于采購的球閥的透明性不太好，測試位置稍微閥后一些.對實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比(圖5)，圖5可見，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明采用VOF模型與CSF模型能夠很好地模擬油水環(huán)狀流在閥門中的流動(dòng).

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與測試位置

圖5 流型結(jié)果對比與水相流量結(jié)果對比

Fig.5 Comparison of the simulated results and experimental results in the flow status and flow rate

4 結(jié)果與討論

4.1 球閥內(nèi)兩相流場分析

通過球閥內(nèi)油水環(huán)狀流的數(shù)值分析，可以得到流動(dòng)區(qū)域的壓力、速度、湍動(dòng)能、油相分布等流動(dòng)場數(shù)據(jù)，見圖6.

圖6 流場分析結(jié)果

(a)總壓分布，(b)速度矢量，(c)速度矢量局部放大，(d)湍動(dòng)能分布，(e)流線，(f)相體積分?jǐn)?shù)分布

圖6可見，在45°開度下，閥前壓力要大于閥內(nèi)與閥后壓力，閥后下部會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，容易出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象.速度矢量顯示在進(jìn)入閥和離開閥的截面最小處出現(xiàn)較大的速度，特別是離開閥的地方速度出現(xiàn)最大值.放大閥內(nèi)與閥前后的矢量圖，會(huì)發(fā)現(xiàn)閥前上部、閥中的上下部、閥后下部均出現(xiàn)了漩渦，流動(dòng)比較復(fù)雜.湍動(dòng)能分布看到，在閥后區(qū)域湍動(dòng)能較大，說明在此區(qū)域湍流混合能力比較強(qiáng).流線圖也顯示了在閥前閥中和閥后出現(xiàn)漩渦的位置.從相體積分?jǐn)?shù)分布(紅色為油，黃色為水)看到油相在進(jìn)入閥門時(shí)，會(huì)逐漸收縮與閥入口相協(xié)調(diào)的徑向尺寸，離開閥門后，又會(huì)逐漸恢復(fù)到原來的徑向尺寸，同時(shí)也看到，油相在離開閥門時(shí)容易沖破水膜而粘附在管壁上，造成環(huán)狀流結(jié)構(gòu)破壞，需要設(shè)法規(guī)避.

如圖7所示，深色代表油，淺色代表水，入口為環(huán)狀流，在閥前的直管中流動(dòng)時(shí)，環(huán)狀流保持穩(wěn)定，經(jīng)過閥門，由于流動(dòng)截面急劇變化，導(dǎo)致環(huán)狀流形態(tài)在閥中和閥后發(fā)生較大的變化，隨后環(huán)狀流在閥后逐漸恢復(fù)穩(wěn)定.

圖7 環(huán)狀流在計(jì)算區(qū)域發(fā)展過程

從環(huán)狀流在計(jì)算區(qū)域的發(fā)展過程看到，油水環(huán)狀流結(jié)構(gòu)受流動(dòng)截面的影響，當(dāng)截面發(fā)生變化時(shí)，環(huán)狀流的油核會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，在流域截面發(fā)生急劇變化的區(qū)域，環(huán)狀流結(jié)構(gòu)容易遭到破壞.

4.2 閥門開度對閥后油相分布的影響

如圖8所示，給出了不同閥門開度下的油水兩相流的相分布狀況.圖8可見，閥門開度小時(shí)，閥后的油相容易被高速的水流切割成許多小顆粒，不易維持油水環(huán)狀流的穩(wěn)定性.

圖8 閥門開度對環(huán)狀流結(jié)構(gòu)的影響

Fig.8 The effect of opening angle on the annular flow structure

同時(shí)，就閥門開度對油相分布進(jìn)行了定量分析，結(jié)果繪制成如圖9所示的曲線.

圖9 開度對油相分布的影響

圖9顯示，當(dāng)閥門開度增大時(shí)，油相體積分?jǐn)?shù)在閥中和閥后有增大趨勢，而閥前基本保持不變.

4.3 油水兩相流與單相流流經(jīng)閥門的壓力損失的比較

閥門前后的壓力損失可以描述流體流經(jīng)閥門的能量消耗，這里比較油水兩相流與石油單相流流經(jīng)閥門的壓力損失，見圖10.圖10可見，環(huán)狀流流經(jīng)閥門的壓力損失要小于石油單相流流經(jīng)閥門的壓力損失，說明環(huán)狀流輸送石油相對節(jié)能.

圖10 2種輸油壓力損失的比較

5 結(jié) 論

經(jīng)過對閥門內(nèi)環(huán)狀流的數(shù)值模擬，得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的模擬結(jié)果，并進(jìn)行了環(huán)狀流在閥內(nèi)的發(fā)展過程，及開度對環(huán)狀流的影響的研究，得到如下結(jié)論.

(1)環(huán)狀流在進(jìn)入閥門時(shí)，油核會(huì)逐漸收縮與閥入口相協(xié)調(diào)的徑向尺寸，離開閥門后，又會(huì)逐漸恢復(fù)到原來的徑向尺寸.

(2)閥門開度對閥后環(huán)狀流產(chǎn)生較大的影響，開度越小，閥后油相容易被分割成小顆粒，會(huì)增加后續(xù)油水分離的難度.

(3)油水環(huán)狀流與石油單相流流經(jīng)球閥的壓力損失比較證實(shí)環(huán)狀流輸送石油消耗能量較小，是一種低能耗運(yùn)輸方式.

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【責(zé)任編輯： 陳 鋼】

Study on variation of the core annular flow through the ball valve

JIANGFan,YUEPeng-fei

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

The study on the flow structure inside of the ball valve is important for water annulus transport of crude oil. The simulation of the oil-water core annular flowing through valve is conducted by the VOF model and CSF model. The simulation results have been verified by experimental results, which are in agreement with the experimental results. The effects of different valve opening degree on oil and water volume fraction of annular flow are compared. The results show that the valve opening is small, oil in the piping behind the valve is easy to be cut into small particles by high speed water flow, and is not conducive to the oil transportation. The pressure loss between oil single phase flow and oil-water annular flow through the valve is compared, and the efficiency of oil-water annular flow transporting oil is obtained.

oil-water core annular flow; ball valve; VOF; opening angle; numerical simulation

2016-03-20;

2016-06-30

廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015A070710029, 2015A030402009, 2014A070711023);廣州市教育科學(xué)規(guī)劃資助項(xiàng)目(1201430307);廣州市高等學(xué)校教育教學(xué)改革資助項(xiàng)目(穗教高教〔2015〕0029-16);廣州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013KP042)

江 帆(1974-)，男，副教授，博士. E-mail: jiangfan2008@126.com

1671- 4229(2016)05-0084-05

TH 137

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