机动管线三通球阀混油切割流动仿真与试验

    机动管线在进行顺序输送或水顶油排空等操作时，一条管线中会同时存在多种流体。为保证油品质量，管线终端需将所输介质分类接收，这依赖混油切割操作，而混油切割操作一般采用阀门实现。

    球阀具有结构紧凑，密封性好，开闭迅速等特点，其所具有的等百分比流量特性，既有利于保持切割过程中介质流量、压力的平稳变化，又便于实施切割作业，是一种较为理想的混油切割阀。三通球阀，一个切割操作动作，可控制两条管路的开启或关闭，简化了工艺流程，同时还可避免操作错误，能够有效地提升切割效率。三通球阀在转动过程中，阀门内部2个出口通道的开度不断变化，其中一个通道由关闭逐渐变化到全开，另一个通道则相反，液体在阀内部的流动较为复杂。本文利用FLUENT软件对该流动过程进行了模拟，通过对比试验数据，验证了模型的准确性。

    1 阀体结构与切割过程分析

    图1为三通球阀混油切割流程。当切割时机到来时，通过转动三通球阀，能够实现管线来油从流向油罐A向流向油罐B的快速切换。输送单一液体时，亦可使用该阀切换液体流动方向或实现合流、分流等功能。

图1 三通球阀混油切割流程

    通过分析，选择T型三通球阀作为切割球阀。当阀芯在初始位置时，阀门A、B通道连通，因结构所限，此时阀门只能逆时针旋转。当转动阀芯时，B通道的开度先变小后变大，最后又逐渐变小直至完全关闭，此时阀芯转动180°，A、C通道连通，一次切割过程完成。阀芯的转动过程如图2所示。

图2 阀门转动过程示意图

    2 仿真模型的建立与问题求解

    2.1 控制方程

    在层流流态下，管道横截面上流速不均，这种情况下的混油量极大，因此在顺序输送或水顶油排空时，油品应严格控制在湍流流态。FLUENT软件提供的湍流模型有：Spal-art-Allmaras单方程湍流模型、k-epsilon双方程模型、k-omega双方程模型以及雷诺应力模型。目前，没有一个湍流模型能够对所有湍流运动给出满意的预测结构，选择合适的湍流模型需要考虑以下几点：流体的物理现象、特殊问题的简化、模拟精度的要求、可用的计算资源和模拟要求的时间长短等。根据本问题的实际情况，选择k-epsilon双方程模型，该方法具有较高的稳定性、经济性，对各向异性较弱的高雷诺数湍流模拟精度高。在模型中，表示湍动能耗散率ε被定为

        （1）

    其中：μ是流体动力黏度；u_i为时均速度。

    湍流黏度μ_t可表示为湍动能k和湍动耗散率ε的函数，即

        （2）

    式中C_μ是经验常数。

    在标准k-epsilon模型中，k和ε2个量未知，与之对应的输运方程为：

        （3）

        （4）

    其中：G_k是平均速度梯度引起的湍动能k产生项；G_b是浮力引起的湍动能k产生项；Y_M表示湍流中的脉动扩张；C_1ε、C_2ε和C_3ε是经验常数；σ_k和σ_ε对应湍动能k和耗散率ε的Prandtl数。

    2.2 几何模型和网格划分

    图3为DN60的T型三通球阀与DN100管子组成的三通管道平面图，阀门端口与管道采用法兰连接，由于管径不同，管道中存在突然扩大和突然缩小，具体尺寸如图3所示。由于阀门的左右对称性，选取阀门转动过程中具有代表性的0°、30°、60°、90°4种状态，能够较完整地模拟出阀门旋转180°管内液体流动变化的全过程。

图3 三通管道平面图

    采用标准k-epsilon湍流模型和segregated隐式求解器。在gambit中建立图4所示的模型，并在gambit中对网格进行了划分。网格单元划分的过细在FLUENT计算过程中会因为计算量太大，内存占用过多而出错；网格划分过于稀疏，模拟质量会受影响。为了灵活方便地数值模拟复杂外形的流动，选用非结构化网格对模型进行三角形划分，间距设置为3.5。为提高模拟精度，在管径突变和阀门内部对网格加密，局部间隔为1。经试验本网格划分方式可以达到精度的要求。

    2.3 模型的求解

    在FLUENT中对求解器进行设置，采用二维，稳态压力式隐式求解方法。压力式隐式求解主要用于低速不可压缩流动的求解，它是按顺序依次求解动量方程、压力方程、修正方程、能量方程和组分方程及其他标量方程，如湍流方程等，该方法易于收敛且计算速度较快。设置流动介质为液态水，入口和出口的边界类型分别为VelocityInlet和PressureOutlet，收敛条件为10^-5。在阀门转角是0°、30°、60°、90°4种状态下，给定不同的入口速度和背压，得到的仿真结果如图4～图7所示。

图4 阀门转角为0°时模拟结果

图5 阀门转角为30°时模拟结果

图6 阀门转角为60°时模拟结果

图7 阀门转角为90°时模拟结果

    3 试验验证及结果分析

    3.1 仿真结果与试验数据对比

    利用试制的三通球阀，配合现有的DN100槽头式管线器材设备，构建了实验平台。在阀门三通端口处，安装压力变送器和流量计，试验并记录了相关数据。

    在试验中，测量点的选取至关重要。实际操作时，选择的测压点距离阀门3个端口约30cm。这样选取，即避免了测压点设置在阀门端口处，压力变化频繁、不易稳定造成的测量误差，又能有代表性地反映整个流场的流动过程。在阀门出口的两条支路安装流量计，干路流量等于两条支路流量之和。

    表1、表2分别是转角为30°、60°时，阀门3个端口压力、流量的试验数据与仿真结果对比情况。从对比情况可以看出，试验与仿真数据两者吻合程度较好。在低流量工况下，流量的试验与模拟值误差稍大，这是由于试验时选用的涡街流量计有一定的启动流量，低流量下测量误差偏大引起的。

表1 阀门转动30°时仿真与试验对比

表2 阀门转动60°时仿真与试验对比

    3.2 阻力系数分析

    流动阻力，是所有水力系统的核心问题。阻力系数k是表征阀门流动阻力的无量纲常数，它取决于阀门产品的尺寸、构造、流道形状等多个因素。对于每个节流元件它都有一个特性的值，阀体内的每个元件都可以看作一个产生阻力的元件系统，所以计算阀门的阻力系数时，可将阀门分成若干段，对于每一段分别求出一个分阻力系数ki，阻力系数k就是各分阻力系数之和，即

        （5）

    当已知压力、流量等流动参数，忽略高差时，局部系数k为

        （6）

    对三通阀门的三路管道列伯努利方程，得

        （7）其中：υ是流速；；Q是干路流量，Q₁、Q₂是支路流量，即Q=Q₁+Q₂；p是干路压力，p₁、p₂是支路压力。

    可将式（6）、式（7）联立，可算得三通球阀局部系数k。

    阻力系数衡量了一个阀门的流通能力，是考察阀门性能的最重要参数之一。对于本试验球阀，总阻力系数包含开度阻力系数，突然扩大、缩小和绕流阻力系数，始端和末端阻力系数等，算法较为复杂，因而模拟情况与试验计算2种条件下的阀门阻力系数的吻合性，可以衡量仿真模型的可信度。

    通过比对球阀在转角为30°、60°工况下仿真与试验数据绘制的图，可以看出两线段的斜率基本相等，阻力系数模拟吻合程度较高，如图8、图9所示。

图8 阀门转角30°阻力系数对比

图9 阀门转角60°阻力系数对比

    3.3 湍流动能与压力分布

    湍流动能是湍流速度涨落方差与流体质量乘积的1/2，它随时间的变化体现湍流动能的净收支，是衡量湍流发展或衰退的指标。众所周知，湍流的瞬时速度也可看成是时间平均速度与叠加脉动速度的和。因此，平均速度场的动能不同于瞬时动能的平均值，而后者包含脉动动能的时间平均值

        （8）

    由于管壁的形状和流体黏滞力等原因，当流出阀门进入直管段后，液体的湍流强度不断降低，湍动能耗散，管中液体的脉动速度趋近于零，脉动动能转化为分子运动的内能和压能，这导致液体在直管段压力随流动反而升高。这种现象在高速度、复杂流道的工况下（图10（a））尤为明显，而在低流速时则可忽略（图10（b））。

图10 压力云图

    4 结束语

    在机动管线上进行水顶油排空或顺序输送时，终端混油切割操作直接影响着油品质量。与其他混油切割阀相比，球阀调节稳定、切换迅速。利用FLUENT模拟了三通球阀内部的流场变化，通过与试验数据对比，验证了仿真模型的可行性及仿真结果的可靠性，证明了三通球阀作为混油切割阀的可行性和适用性。该仿真模型，可为下一步优化阀门结构参数提供依据。