环状流在球阀开启过程的变化状况研究

江 帆， 岳鹏飞

(广州大学 机械与电气工程学院， 广东 广州 510006)

环状流在球阀开启过程的变化状况研究

江 帆， 岳鹏飞

(广州大学 机械与电气工程学院， 广东 广州 510006)

环状流在阀门中流动结构变化研究对石油水环运输稳定性具有重要意义.采用VOF模型与CSF模型进行油水环状流在球阀内的流动模拟，并进行了实验验证，模拟结果与实验结果一致.比较不同阀门开度对后续管道中环状流油水体积分数的影响，结果表明，球阀的开度越小，阀后管道内油相容易被高速水流切割成小颗粒，不利于后续石油运输.进一步比较了油水环状流与石油单相流通过阀门的压力损失，得到油水环状流输送石油的效率提升效果.

油水环状流; 球阀; VOF; 开度; 数值模拟

油水环状流运输由于运行阻力小，长途运输节能等优点，是高粘度石油管道运输的重要方式之一.RUSSELL等首先进行了油水环状流实验研究[1]，之后很多研究人员对油水环状流进行研究.GRASSI等[2]、BENTWICH等[3]进行了环状流流动参数范围、压力差特征、界面结构等方面的研究；JIANG等[4-5]研究弯管结构对油水环状流的影响.潘大林等[6]证实了水环运输的有效性，杨佳等[7]分析了乳胶基质水环输运的机理，敬加强等[8]进行了稠油流动边界层水基泡沫减阻模拟.但现有研究较少涉及阀门内环状流的流动状况的分析[9].

石油管道运输中不可避免用到球阀，球阀开闭过程会产生复杂的射流、涡旋、水击等现象[10-12]，这些流动特征变化对环状流结构会产生影响，因此，研究环状流在球阀开启过程中的流动变化情况对石油稳定运输有着重要意义.本文采用数值模拟方法分析球阀开启过程中油水环状流流动的变化，讨论不同开度下阀后的环状流流动，及油水体积分数分布情况，比较了油水环状流与石油单相流经过阀门的压力损失，得到油水环状流输送石油的效率提升效果数据，为油水环状流实际应用提供参考数据.

1 控制方程

油水环状流在球阀内流动属于油水两相流，采用VOF(Volume of Fluid)模型描述，并结合LS(Level Set)进行油水界面追踪，它们均遵守连续性、动量守恒方程，由于雷诺数超过3 000，采用k-ε模型描述湍流状况，具体表达式如下[4-5, 13].

(1)

(2)

(3)

2μtEijEij-ρε

(4)

(5)

(6)

式中，t是时间，i代表水或者油，αi是第i相的体积分数，ρi是第i相的密度，ui是第i相的速度， p是压力，g是重力加速度，上标T是速度矢量的转置，μq是剪切粘性系数，Fσ是外部体积力.k,μt,ε分别是湍动能，耗散率，涡流粘度.湍流方程中的常数为Cμ=0.09, σk=1, σε=1.3, C1ε=1.44, C2ε=1.92，Eij定义如下.

(7)

为了描述油水的界面张力，采用如下的CSF(Continuum Surface Force)模型

(8)

2 计算模型与分析参数

对球阀和前后部分管道进行适当简化，采用图1的二维区域作为计算区域，管道直径为12 mm，阀芯半径为8 mm，图中的阀门开度为45°，计算区域总长182 mm，为了分析方便，在阀门中心、左右各2R处取参考截面Ⅰ～Ⅲ.

图1 计算区域模型

图2 网格模型

图3 网格独立性验证

边界条件：计算区域左边入口中间8 mm为速度入口，施加油的表观速度vso，上下2部分为水入口，施加水的表观速度vsw.其他为边界无滑移的壁面，与水的接触角为27°.

两相的物性参数：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，两相的表面张力为0.039.

计算设置：将水定义为主相，油定义为次相，计算区域初始化：全部区域充满水.多相流计算选用压力-速度耦合方法，并设置为缺省的Phase Coupled SIMPLE算法.

3 实验验证

搭建了如图4所示的实验平台，由于采购的球阀的透明性不太好，测试位置稍微阀后一些.对实验与模拟结果进行对比(图5)，图5可见，模拟结果与实验结果基本一致，表明采用VOF模型与CSF模型能够很好地模拟油水环状流在阀门中的流动.

图4 实验平台与测试位置

图5 流型结果对比与水相流量结果对比

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

4 结果与讨论

4.1 球阀内两相流场分析

通过球阀内油水环状流的数值分析，可以得到流动区域的压力、速度、湍动能、油相分布等流动场数据，见图6.

图6 流场分析结果

(a)总压分布，(b)速度矢量，(c)速度矢量局部放大，(d)湍动能分布，(e)流线，(f)相体积分数分布

图6可见，在45°开度下，阀前压力要大于阀内与阀后压力，阀后下部会出现负压区，容易出现汽蚀现象.速度矢量显示在进入阀和离开阀的截面最小处出现较大的速度，特别是离开阀的地方速度出现最大值.放大阀内与阀前后的矢量图，会发现阀前上部、阀中的上下部、阀后下部均出现了漩涡，流动比较复杂.湍动能分布看到，在阀后区域湍动能较大，说明在此区域湍流混合能力比较强.流线图也显示了在阀前阀中和阀后出现漩涡的位置.从相体积分数分布(红色为油，黄色为水)看到油相在进入阀门时，会逐渐收缩与阀入口相协调的径向尺寸，离开阀门后，又会逐渐恢复到原来的径向尺寸，同时也看到，油相在离开阀门时容易冲破水膜而粘附在管壁上，造成环状流结构破坏，需要设法规避.

如图7所示，深色代表油，浅色代表水，入口为环状流，在阀前的直管中流动时，环状流保持稳定，经过阀门，由于流动截面急剧变化，导致环状流形态在阀中和阀后发生较大的变化，随后环状流在阀后逐渐恢复稳定.

图7 环状流在计算区域发展过程

从环状流在计算区域的发展过程看到，油水环状流结构受流动截面的影响，当截面发生变化时，环状流的油核会相应的发生变化，在流域截面发生急剧变化的区域，环状流结构容易遭到破坏.

4.2 阀门开度对阀后油相分布的影响

如图8所示，给出了不同阀门开度下的油水两相流的相分布状况.图8可见，阀门开度小时，阀后的油相容易被高速的水流切割成许多小颗粒，不易维持油水环状流的稳定性.

图8 阀门开度对环状流结构的影响

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

同时，就阀门开度对油相分布进行了定量分析，结果绘制成如图9所示的曲线.

图9 开度对油相分布的影响

图9显示，当阀门开度增大时，油相体积分数在阀中和阀后有增大趋势，而阀前基本保持不变.

4.3 油水两相流与单相流流经阀门的压力损失的比较

阀门前后的压力损失可以描述流体流经阀门的能量消耗，这里比较油水两相流与石油单相流流经阀门的压力损失，见图10.图10可见，环状流流经阀门的压力损失要小于石油单相流流经阀门的压力损失，说明环状流输送石油相对节能.

图10 2种输油压力损失的比较

5 结 论

经过对阀门内环状流的数值模拟，得到与实验结果一致的模拟结果，并进行了环状流在阀内的发展过程，及开度对环状流的影响的研究，得到如下结论.

(1)环状流在进入阀门时，油核会逐渐收缩与阀入口相协调的径向尺寸，离开阀门后，又会逐渐恢复到原来的径向尺寸.

(2)阀门开度对阀后环状流产生较大的影响，开度越小，阀后油相容易被分割成小颗粒，会增加后续油水分离的难度.

(3)油水环状流与石油单相流流经球阀的压力损失比较证实环状流输送石油消耗能量较小，是一种低能耗运输方式.

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[13]江帆，黄鹏. Fluent高级应用与实例分析[M]. 北京：清华大学出版社，2008.

JIANG F, HUANG P. Advanced application and examples analysis of FLUENT[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2008.

【责任编辑： 陈 钢】

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

广东省科技计划资助项目(2015A070710029, 2015A030402009, 2014A070711023);广州市教育科学规划资助项目(1201430307);广州市高等学校教育教学改革资助项目(穗教高教〔2015〕0029-16);广州市科技计划资助项目(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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