基于CFD的管匯閥門抗氣蝕數(shù)值模擬研究

尚照輝

（1.河南《創(chuàng)新科技》雜志社，河南 鄭州 450000；2.浙江大學(xué)建筑與工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

0 引言

海底管匯是把采油系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成集中的海底管匯切換控制系統(tǒng)，相當(dāng)于海底油氣采集轉(zhuǎn)運(yùn)控制中心［1］，是一種高價(jià)值深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)，其主要系統(tǒng)和部件具有投資成本高，恢復(fù)、修理和更換故障設(shè)備復(fù)雜，費(fèi)用高等顯著特點(diǎn)［2］。油氣采集轉(zhuǎn)運(yùn)控制系統(tǒng)、管匯系統(tǒng)的關(guān)鍵部件為各式各樣的閥門，這些閥門分布在管匯系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)中，并通過控制不同子系統(tǒng)進(jìn)行分工合作，在整個(gè)管匯系統(tǒng)中，閥門起到控制、分流、運(yùn)輸?shù)裙δ?。閥門的結(jié)構(gòu)可靠性和精準(zhǔn)性是保證深水石油開采的兩大關(guān)鍵因素，因此，有必要對(duì)閥門部件進(jìn)行可靠性分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、數(shù)值模擬和性能分析，從而有效降低閥門使用風(fēng)險(xiǎn)，并提高閥門使用壽命。

郝露菡等［3］基于FTA 法對(duì)某增量式數(shù)字閥可靠性進(jìn)行研究，指出閥門卡停現(xiàn)象會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)會(huì)造成重大損傷，提高閥芯可靠性意義重大。張任良等［4］通過對(duì)氣-液界面親水微通道減阻特性的影響進(jìn)行研究，指出在宏觀條件下，機(jī)構(gòu)表面越光滑，流體流動(dòng)阻力越小。王儲(chǔ)等［5］對(duì)消防水炮射流軌跡理論模型進(jìn)行研究，建立了同時(shí)考慮截面積修正系數(shù)和角加速度修正系數(shù)的空氣阻力模型，對(duì)流體阻力的研究有一定的指導(dǎo)意義。陳海宏等［6］基于FLUENT 仿真模擬軟件，研究造成分流型管匯偏流的主要原因。謝云杰等［7］基于CFD數(shù)值模擬對(duì)匯管出口流量分配對(duì)下游孔板流量計(jì)計(jì)量影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，CFD 數(shù)值模擬可以有效獲得孔板流量計(jì)內(nèi)部的流場(chǎng)分布情況，并可根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)孔板流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。

綜上所述，由于管匯系統(tǒng)由大量閥門和管路組成，閥門是其效能的關(guān)鍵部件，因此，提高關(guān)鍵部件的可靠性十分重要。將可靠性設(shè)計(jì)融入閥門設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化閥芯結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的數(shù)值模擬方法計(jì)算，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而不斷完善優(yōu)化路徑，提高初始空化值。同時(shí)降低外部聲壓級(jí)，能有效改善閥門內(nèi)部的流動(dòng)特性，使內(nèi)部流場(chǎng)變得均勻而穩(wěn)定，從而有效抑制空化現(xiàn)象，提高閥門可靠性。

1 閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

閥門可靠性分析是在收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析失效機(jī)理和失效模式基礎(chǔ)上進(jìn)行的。Burmeister等［8］將閥門失效的原因歸結(jié)為17種，主要失效形式有振動(dòng)和噪聲、夾緊停滯、泄漏、閥門工作壓力波動(dòng)、閥體破裂等。

在這些失效模式中，振動(dòng)和噪聲是影響閥門可靠性的重要因素。閥門產(chǎn)生振動(dòng)的原因有以下4個(gè)：①介質(zhì)流動(dòng)過程中產(chǎn)生振動(dòng)，使管道固定底座和閥門發(fā)生劇烈振動(dòng)，從而導(dǎo)致閥門發(fā)生相應(yīng)振動(dòng)；②由于閥體內(nèi)腔線性設(shè)計(jì)不良，導(dǎo)致介質(zhì)流動(dòng)不穩(wěn)定時(shí)發(fā)生振動(dòng)；③當(dāng)介質(zhì)流與閥門相互作用引起振動(dòng)時(shí)，閥門過度節(jié)流導(dǎo)致渦流；④彈簧剛度過大或不足等也會(huì)引起振動(dòng)。

由于這些因素與閥門設(shè)計(jì)、制造、使用等密切相關(guān)，決定了閥門的固有可靠性，而其他階段只是盡可能地保持設(shè)計(jì)的固有可靠性。因此，為了提高閥門的可靠性，需從可靠性設(shè)計(jì)著手來優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立海底集管的故障樹結(jié)構(gòu)，提高故障樹分析效率，識(shí)別集管系統(tǒng)中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，優(yōu)化關(guān)鍵部件，降低風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)使用壽命。

2 基于CFD的數(shù)值模擬分析

2.1 控制方程

流體流動(dòng)受物理守恒定律支配?；镜氖睾愣砂ㄙ|(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。

質(zhì)量守恒方程見式（1）。

動(dòng)量守恒方程見式（2）。

能量守恒方程見式（3）。

球閥內(nèi)部流場(chǎng)為不可壓縮的三維黏性流，流體介質(zhì)為室溫20 ℃的水。基于不可壓的雷諾平均方程組求解，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程紊流模型構(gòu)建封閉方程組。兩種模型均采用二階迎風(fēng)格式離散，離散方程組的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE算法）。

2.2 邊界條件

閥門數(shù)值模擬參數(shù)和工作參數(shù)見表1。模擬流道區(qū)域的入口位置為閥門公稱直徑的5 倍，出口位置為閥門公稱直徑的10 倍。采用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積法相結(jié)合的離散控制方程，自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)模擬流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，使模擬流場(chǎng)精確網(wǎng)格總數(shù)大約為1.5×106個(gè)。

表1 閥門模擬參數(shù)

設(shè)定入口邊界條件為速度入口，給定管道入口速度為0.25～6.00 m/s，共有23種不同流量，其間隔等差值為0.25 m/s。設(shè)定出口邊界條件為壓力出口，其值為0.1 MPa。計(jì)算時(shí)忽略重力對(duì)流場(chǎng)的影響。球閥的啟閉屬軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其開度為φ，取值為10°～90°，間隔值為10°。

2.3 結(jié)構(gòu)模型

閥芯結(jié)構(gòu)如圖1所示，有三種類型：①閥芯A為普通閥芯，具有圓柱形流道；②閥芯B 為過渡型閥芯，弧形導(dǎo)流面結(jié)構(gòu)；③閥芯C 為改進(jìn)型閥芯，梳齒導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)。

圖1 三種不同結(jié)構(gòu)的閥芯

閥門內(nèi)部流道的截面如圖2 所示，分別為x-截面、y-截面和沿流道中心線的c-截面。以閥門內(nèi)部流道的截面來對(duì)其流動(dòng)特性進(jìn)行分析，從而反映流體在閥門內(nèi)部流道的流動(dòng)狀態(tài)。

圖2 閥門內(nèi)部流場(chǎng)的三維截面

3 閥門數(shù)值模擬分析

3.1 閥門內(nèi)部流場(chǎng)分析

本研究選取流速為3 m/s、開度在10°之間、流道內(nèi)部變化較為明顯的云圖進(jìn)行分析。閥門內(nèi)部流場(chǎng)的CFD 模擬結(jié)果如圖3 至圖5 所示，其中，A、B、C 為閥門類型，x、y、z為閥門截面，數(shù)字為開度φ值。

圖3 流速為3 m/s下閥門內(nèi)部流道x-截面的流場(chǎng)云圖

圖4 流速為3 m/s下閥門內(nèi)部流道y-截面的流場(chǎng)云圖

圖5 流速為3 m/s下閥門內(nèi)部流道c-截面的流場(chǎng)云圖

從流場(chǎng)云圖中可以看出，在相同流速、不同開度工況下，A 型閥門中存在低壓回流區(qū)，并伴有大面積漩渦，表明流體的流動(dòng)狀態(tài)變化比較劇烈，高、低壓過渡區(qū)不均勻。B 型閥門在小開度時(shí)存在高壓和低壓區(qū)，出現(xiàn)較大的漩渦區(qū)域，但隨著開度的增大，該現(xiàn)象逐漸減弱。C 型閥門基本上不存在漩渦區(qū)域，沒有明顯回流區(qū)，流線比較均勻，說明介質(zhì)流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。通過對(duì)比分析可知：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的閥芯的內(nèi)壓力分布比較均勻，旋渦區(qū)域減小，甚至消失，流體在閥門內(nèi)部的流動(dòng)特性明顯改善。

3.2 閥芯內(nèi)部流動(dòng)特性分析

管道內(nèi)紊流或閥門內(nèi)部流體空化現(xiàn)象均會(huì)產(chǎn)生噪聲。通過測(cè)量液體動(dòng)力流流經(jīng)球閥產(chǎn)生的噪聲及球閥下游和管道外部噪聲級(jí)來預(yù)測(cè)空化現(xiàn)象。該方法中的重要參數(shù)有差壓比xF、特性壓差比xFz、修正特性壓差比xFzp1和外部聲壓級(jí)LpAe。其中，xFz可有效評(píng)估閥門由紊流狀態(tài)到空化狀態(tài)時(shí)的初始值，是確定閥門產(chǎn)生噪聲的關(guān)鍵參數(shù)，并以此確定閥門內(nèi)部出現(xiàn)空化的狀態(tài)，流體壓差比xF和壓差（P1-P2）、進(jìn)口壓力P1、出口壓力P2及飽和蒸汽壓力Pv，函數(shù)關(guān)系見式（4）到式（6）。

式（5）中進(jìn)口壓力為6×105Pa，如果需要進(jìn)口壓力，可根據(jù)式（6）對(duì)xFz值進(jìn)行修正。

式中：N34為常數(shù)，其值表示流量系數(shù)（Kv或Cv）；Kv取值為1；Cv取值為1.17；Fd為閥門類型修正系數(shù)（無量綱）；FL為無附接管件控制閥的液體壓力恢復(fù)系數(shù)（無量綱）。

當(dāng)xF、xFzp1和?p=(p1-p2)的數(shù)值確定后，可作為紊流狀態(tài)和空化狀態(tài)的判別條件。

紊流狀態(tài)為?p≤xFzp1(p1-pv)，即xF≤xFzp1。此時(shí)，外部聲壓級(jí)見式（7）。

空化狀態(tài)為?p>xFzp1(p1-pv)，即xFzp1

式中：Lpi為內(nèi)部聲壓級(jí)；TLcav為空化條件下的傳播損失；TLturb是紊流條件的傳播損失。外聲壓級(jí)LpAe位于出口位置距離下游壁面1 m處的平面上。

在得到xF與LpAe的函數(shù)關(guān)系曲線后，采用確定xFz法能確定閥門空化現(xiàn)象和xFz初始空化值。該方法的理論計(jì)算值xFz與實(shí)際試驗(yàn)值基本一致，便于在選型計(jì)算中確定閥門是否發(fā)生空化，即閥門中xFz的值較高的情況，能更有效地降低閥門空化氣蝕現(xiàn)象。

通過CFD 模擬結(jié)果，可以獲得xF和LpAe之間的關(guān)系如圖6 所示，C 面的二維顯示如圖7 所示。由圖可知，三種不同結(jié)構(gòu)的閥芯，以xF為參數(shù)確定的LpAe曲線基本相同，xFz值基本上位于同一點(diǎn)。

圖6 Qm、xF和LpAe三者之間關(guān)系曲線

圖7 基于xF的外部聲壓級(jí)LpAe曲線

三種閥芯構(gòu)型的數(shù)值模擬結(jié)果見表2。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在開度φ 為45°、閥門為初始空化（xFz值）時(shí)，優(yōu)化后的C 型閥門的xFz值比較大，外部聲壓級(jí)LpAe明顯降低。C型閥芯的外部聲壓級(jí)LpAe值較A 型閥門有著顯著降低，降幅為27.69%。C 型閥芯的初始空化值xFz為0.36，比A 型閥芯有效提高了0.09，比B 型閥芯提高了0.03。結(jié)果表明，改進(jìn)后的閥芯對(duì)降低氣蝕具有良好的改善效果。

表2 開度φ為45°時(shí)不同流速下xFz值及LpAe誤差

4 結(jié)論

通過海底管匯系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與數(shù)值模擬分析，結(jié)合氣蝕預(yù)測(cè)理論對(duì)其進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

①將先進(jìn)設(shè)計(jì)手段和技術(shù)應(yīng)用到閥門的設(shè)計(jì)當(dāng)中的同時(shí)，可靠性設(shè)計(jì)的理念必須融入閥門的設(shè)計(jì)過程中，而閥門可靠性的提高應(yīng)從優(yōu)化設(shè)計(jì)開始。

②通過閥芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用CFD 數(shù)值模擬和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，初始空化（xFz）值有所提高。

③外部聲壓級(jí)（LpAe）降低，閥門內(nèi)部的流動(dòng)特性得到有效改善，內(nèi)部流場(chǎng)變得均勻而穩(wěn)定，有效地抑制空化現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高閥門的可靠性。

研究分析發(fā)現(xiàn)，壓差比方法對(duì)閥門氣蝕現(xiàn)象的評(píng)估非常有效，但存在一些缺陷，理論上不能敏銳地區(qū)分相同公稱直徑下不同閥芯結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流動(dòng)特性。因此，需要考慮流量（Qm）及流速（v）等其他因素，才能更好地反映閥門內(nèi)部的流動(dòng)特性。