带有蝶阀管道固-液两相流动的数值模拟*

褚 泽,朱 钰,白锦军,高 勇**,王战辉,陈 科

(1.重庆菲力特机电工程有限公司,重庆 400039;2.中机中联工程有限公司,重庆 400039;3.四川省两江港航建设有限公司,四川 成都 400000;4.榆林学院 化学与化工学院,陕西 榆林 719000)

蝶阀在装备制造业中有着极其重要的作用,被广泛应用于各行各业,如石油开采、石油提炼、化学工业、农林业等行业[1-3]。目前,虽然国内外对阀门管道流动特性的研究较多[4-6],但实践中的相关参数还有待改良,因此对带蝶阀管道的流场进行数值分析,了解其流场的基本特性,有利于对带蝶阀管道进行结构优化,延长使用寿命[7-8]。作者采用有限元方法对带蝶阀管道的固液两相流动内部流场进行数值模拟,改变阀门开度、入口速度等参数,研究管道内速度、流线、压降等参数对管道内流场特性的影响。

在建立几何模型时,抽取流道进行流场特性的研究[9-10]。选取蝶阀前后一段管道作为计算域,见图1。

图1 几何模型

管道直径等同于阀板直径,为200 mm,阀板厚度为20 mm,进口管道长度为300 mm,出口管道长度为500 mm。采用四面体网格划分方法生成网格,对阀板周围和管壁附近设置膨胀层,同时对阀板周围区域进行局部网格细化[11],并进行了网格无关性检验。网格划分见图2。单元数为81 252,节点数为23 167,平均网格质量为0.85。

图2 网格划分

(1)入口边界。设置入口边界为流体速度,流体温度设置为300 K,流态设定为亚声速。未考虑传热,因此比热容设为0。

(2)出口边界。出口边界设置为压力,参考压力设为0 Pa,设定流态为亚声速。

(3)对称边界。由于研究模型的对称性,因此要对其进行对称边界设定,边界类型为Symmetry。

(4)壁面条件。壁面设为粗糙壁面,粗糙度为0.2 mm。

由于是固液两相流动,因此要对材料进行设定。考虑到应用的实用性,两相流采用水和沙粒混合,沙粒密度设定为2 300 kg/m3,粒子直径设为50~500μm。

4.1 阀门开度对管道内流动特性的影响

阀门开度为20°、40°、60°、80°、90°,管壁处的侵蚀率分布见图3。

图3 不同阀门开度壁面侵蚀率分布云图

由图3可知,阀门开度越小,对壁面的侵蚀率越大,阀门开度为20°,蝶板周围的壁面腐蚀特别严重;阀门开度为40°,对壁面的腐蚀面积最大,尤其是远离阀板的位置;在全开的情况下,壁面侵蚀率特别小,几乎无腐蚀现象存在。这是由于阀门开度越小,蝶板周围的体积流量越大,导致对壁面冲刷严重。

阀门开度为20°、40°、60°、80°、90°,阀板处的侵蚀率分布见图4。

图4 不同阀门开度蝶板侵蚀率分布云图

由图4可知,处于稳态时,阀门开度为20°,阀板的阀面侵蚀率较大;阀门开度为90°,阀板的侧面侵蚀率较大,这样会使阀门密闭性变差;阀门开度较小时,被侵蚀的面积比阀门开度大时的面积大。

阀门开度为20°、40°、60°、80°、90°,带蝶阀管道内的流线分布见图5。

图5 不同阀门开度管道流线分布图

由图5可知,阀门开度为20°,会出现回流现象,不利于介质的流通;阀门开度小于80°,在蝶板的后面会出现真空区,同时会出现旋涡,这种现象在阀门开度为40°时尤为明显;阀门全开,阀板对流体流线的影响基本没有,大部分流体会流向蝶板的偏移方向,且流线较密。

阀门开度为20°、40°、60°、80°、90°,对称面处的压力分布见图6。

图6 不同阀门开度压力分布云图

由图6可知,阀门开度小于80°,蝶板的背面会出现负压区,不利于流体的运输;阀门开度小于60°,阀前管道压力特别大,容易出现泄漏,造成不必要的经济损失;阀门开度大于80°,阀前压力和阀后压力的压差变得很小;阀门开度的大小对于阀门管道处的压力最高值有着密切的关系,随着阀门开度的增大,阀门管道处的压力最高值会随之减小。

阀门开度为20°、40°、60°、80°、90°,对称面处的速度矢量分布见图7。

图7 不同阀门开度速度分布云图

由图7可知,靠近管壁的地方会出现速度为0的情况;阀门开度小于40°,阀板周围会出现速度为0的地方,最大速度出现在阀门两侧;随着阀门开度的增加,速度最大值会慢慢变小;阀门开度为60°,阀门周围的速度分布会变得极不稳定。

阀门开度为20°、40°、60°、80°、90°,阀板两端压差、流量系数及流阻系数见表1。

表1 阀门开度不同时阀板两端压差、流量系数及流阻系数

由表1可知,随着阀门开度的增大,阀门两端的压差减小,而流量系数增大,即随着阀门开度的增大,阀门两端的压力损失减小。流阻系数随着阀门开度的增大而逐渐减小,更加有利于流体介质的流通。

4.2 入口速度对管道内流动特性的影响

入口速度为3、5、7 m/s,管道内的管壁侵蚀率分布见图8。

由图8可知,入口速度为7 m/s,流体对管壁的侵蚀面积最大,即速度越大,对管壁的腐蚀越严重;腐蚀的部位大部分位于蝶板周围处和正对阀板背水面的地方,腐蚀最严重的地方位于靠近蝶板的部分。

图8 不同入口速度管壁腐蚀分布云图

入口速度为3、5、7 m/s,蝶阀蝶板处侵蚀率分布见图9。

图9 不同入口速度蝶板腐蚀分布云图

由图9可知,流体对蝶板造成的侵蚀同管壁规律一样,即速度越大,流体对蝶板的侵蚀面积和侵蚀程度越严重;流体对蝶板的侵蚀主要集中在蝶板的边缘部分,蝶板中心几乎没有受到侵蚀。

入口速度为3、5、7 m/s时,对称面处的压力分布见图10。

图10 入口速度不同时压力分布云图

由图10可知,入口速度的变化并没有明显改变管道内的压力分布。入口速度为5、7 m/s时管道内的压力值大于入口速度为3 m/s时管道内的压力值。

入口速度为3、5、7 m/s,阀板两端压差、流量系数及流阻系数见表2。

表2 入口速度不同时阀板两端压差、流量系数及流阻系数

由表2可知,入口速度较大时,阀板两端的压差较大。流体介质速度的变化对流量系数、介质流通的流阻系数没有影响。

(1)随着阀门开度的增加,流体介质对管壁和阀板的侵蚀面积逐渐减小;管道内的流线、压力和管道内流体矢量的分布均趋于稳定;同时压力最大值和速度最大值变小,流阻系数逐渐减小,但流量系数逐渐变大;

(2)入口速度较大时,流体介质对管壁和蝶板的侵蚀较严重,阀门处的压力和阀板两端的压差亦较大。