基于FLUENT的锥形节流阀数值模拟和气穴分析

张　圆，周　海，黄建军，龚　凯

(1.盐城工学院，江苏 盐城 224051；2.江苏大学，江苏 镇江 212013)①



基于FLUENT的锥形节流阀数值模拟和气穴分析

张圆1，2，周海1，黄建军1，龚凯1，2

(1.盐城工学院，江苏 盐城 224051；2.江苏大学，江苏 镇江 212013)①

摘要：针对锥形节流阀气化、气蚀严重的问题，利用FLUENT软件，对锥形节流阀进行气液两相流的数值模拟，得出内部流场的速度、流线、压力及压降随阀杆行程的变化关系；基于Cavitation模型，对节流阀进行气液两相的气穴分析。结果表明：在阀芯和阀座位置容易出现气穴，并有轻微的涡流现象；随着节流阀开度的增大，气穴现象逐渐减小；开度≥50%之后，无气穴现象产生。分析结果为锥形节流阀的设计和结构优化提供了一定的理论依据。

关键词：锥形节流阀；数值模拟；FLUENT；气穴分析

锥形节流阀是油气开采节流压井的关键设备，通过节流阀可方便控制流量与压力，应用广泛[1]。锥形节流阀结构虽然简单，但内部流场复杂，油液经过阀口位置时速度重新分布，并且容易产生漩涡，出现气穴现象；气泡分离出来后，周围高压压缩气泡，迅速破裂，并凝结成液体，局部产生高温和高压；巨大冲击力敲落或崩掉阀座和阀芯的金属表面，影响阀门的工作。许慧[2]对阀芯固定和阀芯运动的2种状态下的液压锥阀流场进行数值模拟，研究得出流场中的最低压力会随着开口度的增大明显升高，并且过小的最低压力会造成气穴现象；谭剑波[3]通过二维轴对称模型对液压锥阀流场进行数值计算，得到了流场的速度、流线、压力及气体体积分布；张应迁[4]等通过对闸阀内部流场模拟表明容易在阀体内壁面和阀座位置出现气穴及强度不等的漩涡；陆亮[5]通过仿真和试验研究了液压节流阀中的空化流动与噪声，为液压降噪提供了理论依据。

本文对宏泰石化机械有限公司生产的一种锥形节流阀内部流场建立三维模型，应用FLUENT软件，利用Cavitation模型和气液两相流模型对节流阀内流道进行数值模拟，得到各开度下内流场的速度、流线、压力及气穴产生后的气体体积比分布等，分析气穴产生的位置。

1气穴模型理论分析

锥形阀气穴模型是典型的气-液两相流。当局部压力低于气化压力时，液相向气相转移；当压力高于气化压力时，气泡破裂，重新从气相变为液相；两相相互渗透，质量相互转移。假设相与相之间无滑动，气穴模型包含混合物的动量方程和气相体积比方程[6]。

气相的体积比方程由质量方程推导而来，为

(1)

液相的体积比αl为

αl=1-αg

(2)

气液两相的平均密度为

ρ=αgρg+αlρl

(3)

不考虑气化产生的热量，将气穴做等温处理，气泡内压力维持不变，气泡半径变化近似为一个简化的雷诺方程。

(4)

式中：ρv为气化压力；p为液相压力。

气体总质量为

(5)

式中：n为单位体积的气泡数。

气体产生的速率为

(6)

结合式(5)～(6)，得到气穴引起的气液两相间的质量转移为

(7)

式中：R为气泡半径。

(8)

2模型建立及网格划分

JLK65-35-00型手动锥形节流阀如图1。流体通过阀体的通道进入节流口，经阀芯和阀座之间的通道流出；阀芯在阀杆的带动下上下移动，从而调节阀芯的开度。

1—阀体；2—阀座；3—阀芯；4—阀芯压帽；

根据实际结构用UG NX 7.5建立流体域的模型，并对模型倒角及圆柱小台阶进行简化，如图2所示。采用ICEM CFD 14.0进行网格划分，并对边界层进行加密处理，模型网格如图3所示。

图2　流体域模型(半剖视图)

图3　流体域模型网格划分

3数值模拟和气穴分析

导入至FLUENT软件，采用标准Realizablek-ε湍流方程、多相流Cavitation模型和气液两相流模型对节流阀内部流场进行数值模拟，得出其内部的速度、流线、压力及压降特性；模拟气穴现象，定量地给出气穴产生时的气体体积比。

3.1边界条件

速度入口：设定节流阀入口流量为20 L/s，入口速度为6 m/s。压力出口：设定出口背压为0.1 MPa。固定壁面：无滑移，采用标准壁面函数条件。

主相为油液，其密度为1 080 kg，动力黏度为0.02 Pa·s[7]；次相为蒸汽，密度为1.225 kg/m3，动力黏度为1.26×10-6Pa·s。主相与次相的转化满足Cavitation模型，气泡分离的临界压力为1 000 Pa。

3.2模拟结果及分析

模拟节流阀开度从10%～90%，每间隔5%的开度下其内部流场情况。图4～5分别为节流阀开度为20%时的内部流场图和速度矢量图。由图4～5可知，在节流阀入口处流动稳定，在节流口处随着阀芯锥面逐渐改变方向，并且速度突然变大，最大速度为75.9 m/s。由于在油气开采时有各种颗粒物质，这些颗粒物质在高速运动下对阀芯产生切削作用，容易导致阀芯失效。节流口到出口位置有轻微的涡流现象，其大约旋转1周。

图4　开度20%时内流场流线分布

图5　开度为20%时内流场速度矢量

流体通过阀门时，其流体阻力损失以阀门前后的压降表示。对17个开度下流场的数值模拟，通过CFD计算器计算出节流阀入口和出口的平均总压，则节流阀的压降为入口总压减去出口总压。得出各个开度下节流阀的压降值，如图6所示。由图可知，节流阀的压降调节呈非线性。在开度较小范围内(<30%)压降较急；在较大范围内，压降平稳。通过计算，其线性相关系数为0.673。

图6　节流阀的压降特性

图7分别为开度20%、30%、40%时Cavitation模型的压力云图，在入口和出口附近压力均匀，节流口附近压力呈梯度变化，压力急剧变小，随后再逐渐变大；节流口处的流道面积小，会产生低压，在阀芯和阀座之间及阀芯底部流体的压力值低于气泡分离临界值，容易发生气穴现象。图8分别为开度20%、30%、40%时Cavitation模型的气体体积数云图，主要在阀芯和阀座之间及阀芯底部，容易在阀座壁面附近产生气体；随着阀门开度的增加，产生的气体体积数逐渐减小。

a　开度为20%

b　开度为30%

c　开度为40%

a　开度为20%

b　开度为30%

c　开度为40%

油液在锥形节流阀各开度下的含气量变化如图9所示。含气量为[8]

φ=Vv/Vl

式中：Vv是气体体积，Vl是液体体积。

由图9可知，随着节流阀开度变化，含气量呈递减趋势；开度为50%时，含气量为0，表明此时节流阀流道内部压力大于气泡分离临界压力，无液体转化为气体的现象。在锥形节流阀的使用过程中，尽量使用较大开度调节，避免小开度时发生气穴、气蚀现象，该结果对于锥形节流阀在工程实际应用中有一定的实用价值。

图9　含气量变化曲线

4结论

1)通过对锥形节流阀内部流场的数值模拟，发现在小开度情况下，从节流口到出口位置会有轻微的涡流现象；节流阀的压降和行程呈非线性关系，使用过程中尽量使用大开度范围调节，避免压力变化过大。

2)通过气液两相流对节流阀气穴分析，发现在阀芯和阀座间的部位，气体体积分数高，容易产生气穴现象。阀门使用时间过长，阀座和阀芯会受到流体的化学腐蚀和出现崩裂现象，可以在阀芯外部和阀座内部区域进行堆焊，并且尽量使用大开度范围调节。

3)采用FLUENT软件能够快速地了解锥形节流阀内部流场的规律及特点，为节流阀结构设计和优化提供了理论依据。

参考文献：

[1]魏存祥，滕龙，王勇刚，等.固定节流阀流场数值模拟研究[J].石油矿场机械，2008，37(5)：47-49.

[2]许慧.内流工况液压锥阀内部流场的三维可视化模拟与仿真[D].太原：太原理工大学，2007.

[3]谭剑波.液压锥阀气穴分析与流场参数化仿真[D].成都：西南交通大学，2014.

[4]张应迁，柳忠彬，唐克伦，等.基于FLUENT的阀门气穴模拟[J].矿山机械，2012，40(11)：93-96.

[5]陆亮.液压节流阀中的空化流动与噪声[D].杭州：浙江大学，2012.

[6]刘银水，杨友胜，朱玉泉，等.以水为介质阻尼孔气穴流动理论和试验研究[J].机械工程学报，2007，43(2)：147-150.

[7]张晓东，李俊华.基于Fluent的锥形节流阀流场数值模拟[J].石油矿场机械，2009，38(9)：50-52.

[8]汪健生，刘志毅.管道节流过程中气蚀的数值模拟[J].机械工程学报，2008，44(12)：100-104.

Numerical Simulation and Cavitation Analysis of Taper ThrottlingValve based on FLUENT

ZHANG Yuan1，2，ZHOU Hai1，HUANG Jianjun1，GONG Kai1，2

(1.YanchengInstituteofTechnology，Yancheng224051，China；2.JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China)

Abstract：In view of the characteristic of severe Cavitation in the taper throttling value，the flow field was numerical simulated of gas-liquid phase flow by FLUENT software.The speed，streamline，pressure and the relationship of the pressure drop and the stroke change of the value stem were promulgated.Then，it was simulated of gas-liquid two phase flow based on Cavitation model.The results showed that the Cavitation and turbulence appeared between the value core and the seat.The Cavitation decreased with the increase of the taper throttling value opening.While the opening size arrive to 50% and later，the Cavitation phenomenon disappeared.The results of the analysis provided the basis for the design and optimization of taper throttling value.

Keywords：taper throttling valve；numerical simulation；FLUENT；cavitation analysis

中图分类号：TE931.1

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.013

作者简介：张圆(1990-)，男，江苏南通人，硕士研究生，研究方向为CAD/CAM。

收稿日期：①2015-09-29 国家自然科学基金(51405420)；江苏省产学研前瞻性创新资金项目(BY2014108-04)；江苏省“六大人才高峰”项目(2013-ZBZZ-026)

文章编号：1001-3482(2016)03-0058-04