往复式油气混输泵组合阀流场数值模拟.pdf

2 0 1 2年 第 4 1 卷 第 1 2期 第 3 3页 石油矿 o I L FI ELD 场机械 E QUI PMENT 2 01 2 ， 4 1 1 2 3 3 ～ 3 6 文 章 编 号 1 001 _ 3 4 8 2 2 01 21 2 - 0 03 3 0 4 往复式油气混输泵组合阀流场数值模拟 张生昌 ， 陈锡栋 ， 邓鸿英 ， 柯愈龙 浙 江工业 大学 ， 杭州 3 1 0 0 1 4 摘 要 建立 了往 复式 油气 混输 泵组合 阀 的三 维流场 几何模 型 。根据 泵速 、 活塞行程 和 活塞 直径等 工 作参数 ， 给定组合 阀的边界条件。利 用 F l u e n t 软件对不 同最大开启高度 、 不同介质气液 比下组合 阀 内流 场进行 数值 模拟 ， 获得 了最 大开启 高度 、 介 质 气 液 比与 组合 阀进 出 口压 差 、 流 量 系数 之 间 的 定量 关 系。结果表 明 当最 大开启 高度 一定 时 ， 随着介 质 气液 比的增 大 ， 阀进 出口压 差减 小 ， 而流量 系数 基 本保持 不 变 ； 当介 质 气液 比一 定 时， 随 着最 大开启 高度 的增 大 ， 进 出 口压差 减 小， 流量 系数减 小。为往 复 式油 气混输 泵组 合 阀的设计 计 算提供 参 考 。 关键 词 往 复 式油 气混输 泵 ； 组合 阀 ； 数值 模 拟 ； 气液 比 ； 流 量 系数 中 图分类 号 TE 9 3 3 ． 3 0 2 文献 标识 码 A Nu me r i c a l S i m u l a t i o n o f Fl o w Fi e l d f o r Co mb i n e d Va l v e i n Re c i p r o c a t i n g Oi l g a s M u l t i ph a s e Pu mp ZH ANG She ng c ha n g， CH EN Xi d on g， DENG Hon g yi ng， KE Yu l o ng Zh e j i a n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4， C h i n a Ab s t r a c t Th e s i m p l i f i e d 3 - D ge ome t r y mod e l o f f l o w f i e l d f or r e c i p r oc a t i ng o i l ga s m u l t i p ha s e pump wa s e s t a b l i s he d ．Co m b i ne d wi t h pu m p s p e e d， pi s t o n s t r o ke a n d pi s t o n d i a me t e r， gi v e n t he b o und a r y c on di t i o n o f t h e v al ve ， t he n t h e n ume r i c a l s i mul a t i on o f i n t e r na l f l o w f i e l d und e r d i f f e r e nt ma xi mu m op e n he i gh t a nd g a s l i q ui d r at i o wa s d o ne de pe n di n g o n s o f t wa r e Fl u e nt ．Th e r e l a t i o ns h i p be t we e n ma xi m um o pe n he i gh t a nd ga s l i qu i d r a t i o t o p r e s s ur e dr o p a n d d i s c ha r ge c o e f f i c i e nt we r e o bt a i ne d ． The r e s ul t s s h owe d t ha t t he pr e s s u r e d i f f e r e n c e b e t we e n i nl e t a nd o ut l e t d e c r e a s e s wi t h t he i nc r e a s e o f g a s l i q ui d r a t i o， bu t d i s c ha r g e c o e f f i c i e nt r e ma i ne d r e l a t i v e l y c ons t a nt ． And t he pr e s s u r e di f f e r e nc e b e t we e n i nl e t a nd o u t l e t a nd d i s c ha r g e c o e f f i c i e n t d e c r e a s e d wi t h t h e i n c r e a s e o f max i mum op e n he i gh t ． The s t u dy r e s ul t s pr o v i de r e f e r e n c e f or t he d e s i gn of c o m b i ne d v a l v e us e d i n r e c i p r o c a t i n g oi l g a s m u l t i p ha s e pu m p ． Ke y wo r d s r e c i pr o c a t i n g o i l g a s mul t i ph a s e pump； c o m b i ne d v a l v e； nu me r i c al s i mul a t i on； ga s l i q ui d r a t i o； di s c h a r ge c o e f f i c i e nt 近 年来 ， 油 气混输 技术 迅速 发展 ， 已成 为 我 国石 油 工业 持续 发展 的关键 技 术 之 一 ， 而 往 复 式 油气 混 输 泵是 油气 混 输 增 压 的一 种 关 键 设 备 。进 出 口 阀是往复式油气混输泵最关键 的元件 ， 其工作特性 将直接影响泵 的性能和寿命 。 目前， 国内外对 于往 复泵 阀 的研究 主要 集 中在输 送介 质为不 可压 缩 的液 体 ， 而且 在不考 虑 介质 含 气 量 的情况 下 对 阀 内流 场 进行 分析 ， 有关 气液 两相 工况 下往 复泵 阀流 场 的 相关 研究 尚未 见报 导 。 利用 F l u e n t 软 件 对 往 复 式 油 气 混 输 泵 组 合 阀 收 稿 日期 2 0 1 2 0 5 3 1 作者简介 张生昌 1 9 5 6 一 ， 男 ， 江西新 干人 ， 教授级高级工 程师 ， 主要从 事流 体机械 的教学 与科研及 多种工业 用容积 泵产 品 的开 发 。 石油 矿场 机械 2 0 1 2 年 1 2月 3流 量 系数4结 论 流量 系数 是泵 阀设计 计算 最重 要 的特 征参 数之 一 ，由于阀 内流动 的复 杂性 ， 在 阀 口处 压 力 梯度 大 ， 反映宏观流动特性的流量系数很难求取 。因此在实 际应用 中是 通过 检测 阀进 、 出 口处 的 压 力来 计 算 流 量系数 。 对 于组 合 阀流 量 系数 的计 算 ， 首先 通 过 模拟 得 到 阀进 出 口压 差 ， 然 后根 据下式 进行 求解 _ 6 ] ， 即 C 一 ，_ 2 A h √2 Ap ／ p 式 中 c 为阀口流量系数 ； q 、 ， 为阀的体积流量， m。 ／ s ； △ 为 阀 进 出 口压 差 ， P a ； P为 介 质 密 度 ， k g ／ m。 ； A 为 阀隙过 流面 积 ， m 。 组合 阀的阀 隙过流 面积 为 A h 一 n dh 3 式 中 d 为排 出 阀 芯 直 径 ， m； h为 阀芯 最 大 开 启 高 度 ， m。 油气 两相介 质 的密度 为l 1 3 ] 10 5 o p 十 1 一 p l 4 式 中 为介 质气液 比 ； 为 天 然气 密度 ， k g ／ m。 ； p l 为 油液 密度 ， k g ／ m。 。 为确定不同最大开启高度、 不同介质气液 比下 的流量系数 ， 将流量、 密度和仿真计算得到的压差代 一入式 2 进 行计 算 ， 得 到 流 量 系数 与 不 同最 大开 度 、 不 同气液 比的关 系 ， 曲线 如 图 7所示 。 由图 7可知 在 最 大开启 高度 一定 时 ， 随着介 质 气液比的增大， 流量系数基本保持不变 ， 说明介质气 液 比对 流量 系数 的影 响很 小 ； 当介质气 液 比一定 时 ， 随着最大开启高度的增 大流量系数减小， 说明最大 开度 对组合 阀流量 系数 的影 响较大 。 0 ． 5 糕 0 ．4 删 吲 媛 0 ．3 O -2 _． 一 h 3 ll l m_l 卜 - - h 4 mi l l 1 卜h 5mm h 6In to 一 7 mm 0 ．0 0 ． 2 0 ． 4 0 ．6 0 ． 8 1 ．0 介质气液比 图 7 组合阀在不同开启高度时气液 比与 流量系数关系 曲线 1 当介质气液比保持恒定时， 随着阀芯最大 开度 的增 大 ， 阀入 口处 的压 力 减 小 ， 进 出 口压 差 减 小 ； 而 当阀芯最 大开启 高度 恒定 时 ， 随着介 质气 液 比 的增 大 ， 阀芯 底面 的压力 减小 ， 同 时阀进 出 口压差 也 呈 现 出减小 的趋势 。 2 在 最大 开启 高 度 一 定 时 ， 随 着介 质 气 液 比 的增 大 ， 流量 系数 基本 保持 不变 ； 当介 质气 液 比一 定 时 ， 流量 系数 随着最 大开 启高度 的增 大而 减小 。 参考文献 [ 1 ] S c h o e n e r H J ． Mu l t i p h a s e h e l p f o r g a s r e d u c t i o n L J ] ． W or d Pumps ， 2 0 09 9 24 28 ． [ 2 ] 官敬． 混相 输送 技术 与应用 [ J ] ． 油气储 运 ， 2 0 0 3 ， 2 2 9 3 5 3 8． I s ] 高 文凯 ， 梁政 ， 钟功祥 ， 等． 往复泵 自动球 阀运 动规律 研究[ J ] ． 流体机械 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 1 3 7 4 1 ． [ 4 ] 董世民 ， 王尊策 ， 李德富 ， 等． 往 复泵 自动球阀的精确 运 动微分方程及其数值解[ J ] ． 力 学与实践 ， 1 9 9 9 ， 2 1 5 28 3 1． [ 5 ] 杨 国安 ， 黄聪 ， 于丽． 基于 F I UE N T的钻井泵 阀隙 流场仿真计算 [ J ] ． 石 油矿 场机 械， 2 0 0 8 ， 3 7 3 4 1 4 4 ． [ 6 ]郑淑娟 ， 权龙 ， 陈青 ． 阀芯运动 过程液 压锥 阀流场 的 C F D计算 与分析 [ J ] ． 农业 机 械学 报 ， 2 0 0 7 ， 3 8 1 16 9 1 7 2． [ 7 ] D a v i s J A， S t e wa r t M． P r e d i c t i n g Gl o b e C o n t r o l Va l v e P e r f o r ma n c e --P a r t I C F D Mo d e l i n g [ J ] ． J o u r n a l o f Fl ui ds Engi ne e r i ng， 2 00 2， 12 4 3 77 2 7 77 ． E 8 ]鲍慧梅． 高精度计 量泵 的泵 阀运 动规律分 析及 优化设 计E D ] ． 杭州 浙江工业大学 ， 2 0 0 8 ． E g ] 往复泵设计 编 写组． 往复泵 设计 [ M] ． 北 京 机械 工 业 出版 社 ， 1 9 8 7 ． [ 1 0 ] 张晓东 ， 李俊华． 基 于 F l u e n t的锥 形节 流 阀流 场数值 模拟[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 9 5 0 5 2 ． [ 1 1 ] C h e n Q， S t o f f e l B ． C F D s i mu l a t i o n o f a h y d r a u l i c s e r V O v a l v e w i t h t u r b u l e n t f l o w a n d c a v i t a t i o n[ J ] ． ASM E， PVP， 2 00 4， 491 1 1 97 2 03 ． [ 1 2 ] 于 勇 ， 张俊 明， 姜连 田． F L UE N T 入 门与进 阶教 程 l- M] ． 北京 北京理工大学 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 1 3 ] 李宝 宽 ， 霍 慧芳 ， 栾 叶君 ， 等． R H 真 空精 炼 系统气 液 两相循环 流动 的均 相流模 型J- J ] ． 金 属学 报 ， 2 0 0 5 ， 4 1 1 6l 63 ．