為了探索新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵出口球閥內(nèi)流場規(guī)律，建立球閥流場的三維模型，利用Fluent軟件，將標準k－ε湍流模型與多相流技術(shù)相結(jié)合，采用SIMPLE 算法，對新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵出口球閥內(nèi)的三維氣液兩相流場進行數(shù)值模擬。在容積含氣率為25% ，50% ，75% 的不同工況下，通過對球閥開啟高度分別為3，5，7mm 時的速度場、壓力場與氣液相分布的分析，探討在氣液混輸過程中閥的開啟高度及不同氣液比對閥內(nèi)流場的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明：球閥開啟高度越大，閥球上下壓差越??；閥隙流速隨著開啟高度的增大而減小。
 
    球閥具有結(jié)構(gòu)簡單、互換性強、裝拆方便、便于清洗等優(yōu)點。為解決油田油氣混輸難題，將球閥與傳統(tǒng)外環(huán)流轉(zhuǎn)子泵結(jié)合，即在傳統(tǒng)外環(huán)流轉(zhuǎn)子泵出口增設(shè)了1組球閥，使其具有內(nèi)壓縮功能，能更好地適應氣液兩相工況。目前，對于球閥的研究基本上是針對容積式往復泵球閥，主要建立球閥運動規(guī)律的數(shù)學模型，研究球閥的開啟特性等內(nèi)容，且工況為純液態(tài)工況；對球閥閥口氣穴流場進行的數(shù)值模擬與試驗研究也局限于液體介質(zhì)。 目前尚未見有關(guān)轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵球閥運動規(guī)律的研究報道。因此，對新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵出口球閥的研究就顯得很有必要。

    隨著計算機技術(shù)和計算流體力學的發(fā)展，應用CFD方法對流場進行分析已經(jīng)成為泵閥領(lǐng)域的研究熱點。因此，實現(xiàn)新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵出口球閥三維流場的數(shù)值模擬，對于球閥的設(shè)計及優(yōu)化具有重要意義。

    1 球閥結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

    1.1 球閥結(jié)構(gòu)

    圖1為轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵工作示意圖。新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵在出口增設(shè)球閥以后，介質(zhì)要通過球閥才能輸送到出口管線中。當球閥關(guān)閉時，閥球與兩轉(zhuǎn)子及端板形成封閉容積V。由于轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)，封閉容積V不斷減小，容積中壓力不斷升高，直到封閉容積內(nèi)的壓力達到開啟壓力時，閥球打開，介質(zhì)被排出。

圖1 轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵工作示意圖

    圖2為出口球閥結(jié)構(gòu)示意圖。球閥由閥座和閥球組成，閥球開啟后，介質(zhì)由閥座孔入口流入，通過閥隙進入泵的排液腔。閥座孔直徑d=0.065m，閥座錐角α=45°，錐角長度l=0.005m，閥球半徑R=0.045m。

圖2 出口球閥結(jié)構(gòu)示意圖

    1.2 建模與網(wǎng)格劃分

    由于出口球閥尺寸相對整臺泵非常小，在整臺泵計算過程中，難以得到閥隙處的詳細流動情況。因此，為了更全面地了解閥隙周圍與閥內(nèi)的壓力和速度分布，選取閥座與閥球間隙及閥球兩側(cè)部分作為研究對象，進行建模與分析。此外，球閥幾何形狀簡單且為軸對稱圖形，為了研究方便且減少計算量，采取三維軸對稱模型，建立一半計算區(qū)域。利用Pro/E軟件建立開啟高度為3mm時球閥的計算區(qū)域模型。將物理模型導入Fluent前處理軟件Gambit中進行網(wǎng)格劃分。為了劃分質(zhì)量較好的網(wǎng)格，對模型進行了分割并采用六面體/四面體混合單元，由于閥口的壓力梯度變化較大，因此對閥口加密了網(wǎng)格，使模擬結(jié)果更準確。三維模型及網(wǎng)格如圖3所示。同理可得到開啟高度分別為5，7mm時的模型和網(wǎng)格。

圖3 開啟高度為3mm時的模型與網(wǎng)格

    2 模擬計算

    2.1 邊界條件

    介質(zhì)為原油和天然氣兩相混合物，原油的物理參數(shù)設(shè)置為ρoil=856kg/m3，動力黏度ν=0.0072Pa·s，并假設(shè)原油不可壓縮；天然氣在Fluent自帶的材料里選擇。

    1） 速度入口。新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵的出口閥由3個球閥組成，已知泵的流量為100m3/h，假設(shè)通過每個球閥的流量相等且忽略泄漏，則由連續(xù)流條件可得通過每個閥座的速度為

        （1）

    式中：υ0為入口速度，m/s，方向與閥座入口邊垂直；Q為泵的流量，m3/h；d為閥座孔直徑，m。由入口速度和特征直徑計算得到入口雷諾數(shù)大于1.2×104，流動為湍流，湍流強度設(shè)為10%，水力直徑為0.065m。

    2） 壓力出口。已知出口絕對壓力為1.2MPa。

    2.2 求解器與算法

    模擬采用隱式壓力基求解器，流動為穩(wěn)態(tài)流動． 求解模型選擇兩相混合模型和標準k－ε湍流模型。壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。

    3 模擬結(jié)果與分析

    3.1 壓力場分析

    圖4－6為不同含氣率條件下，球閥在不同開啟高度時對稱面上的壓力分布云圖。    

圖4 含氣率為25%時對稱面上的靜壓分布

圖5 含氣率為50%時對稱面上的靜壓分布

圖6 含氣率為75%時對稱面上的靜壓分布    

    由壓力云圖可得，當開啟高度為3mm，含氣率分別為25%，50% ，75% 時，閥球上下壓差分別為0.06，0.04，0.02MPa；當開啟高度為5mm，含氣率分別為25%，50% ，75% 時，閥球上下壓差分別為0.04，0.02，0.01MPa；當開啟高度為7mm，含氣率分別為25%，50% ，75% 時，閥球上下壓差分別為0.02，0.01，0.01MPa． 以上分析表明：

    1） 在同一含氣率的條件下，隨著開啟高度的增大，閥球上下壓差逐漸減小。

    2） 在某一較小的固定開啟高度時，閥球上下壓差隨含氣率增大而減??； 開啟高度較大時，含氣率對閥球上下壓差影響較小。

    3） 含氣率大時，閥球上下壓差較小且受開啟高度的影響較小。

    4） 在球閥的整個流場中，閥隙處的壓強最小。

    3.2 速度分析

    圖7－9為不同含氣率和開啟高度下流場Y－Z截面上的速度云圖和流線圖。

圖7 含氣率為25%時不同開啟高度的速度云圖和流線圖

圖8 含氣率為50%時不同開啟高度的速度云圖和流線圖

圖9 含氣率為75%時不同開啟高度的速度云圖和流線圖    

    由速度云圖可知：氣液比一定時，由于過流斷面突然減小，閥隙處的流速最大。隨著開啟高度的增大，閥隙流速不斷減小。圖7中，開啟高度為5mm時，閥隙流速為10m/s；開啟高度為7mm時閥隙流速只有7m/s。

    由流線圖可知，在閥隙附近有部分介質(zhì)由于壓差的作用回流，之后被閥隙的高速介質(zhì)帶出。例如圖7a中的流線所示，部分介質(zhì)從出口回流，但在閥隙附近流線方向突然改變，與從閥隙流出的介質(zhì)一起沿著閥球壁附近流出。

    另外，當開啟高度為3mm時，含氣率分別為25% ，50% ，75% 對應的閥隙流速均為15m/s。由上可知，同一開啟高度下，含氣率對閥隙流速的影響不大。但同一開啟高度下不同含氣率的流線不同，如開啟高度為3mm時，含氣率為75%的流線圖出現(xiàn)交叉流線，不同于另外2種開啟高度的流線，說明含氣率對介質(zhì)的流動狀態(tài)有一定的影響。

    3.3 相態(tài)分布分析

    圖10為開啟高度為3mm時，不同含氣率的氣相體積分數(shù)分布云圖。

    由圖10可知，氣相主要分布在閥球壁附近，遠離閥球的氣相介質(zhì)逐漸減少。通過模擬結(jié)果可知，氣相介質(zhì)密度較小，在閥球開啟前，閥球底部分布的主要為氣體，球閥開啟后，氣體介質(zhì)首先排出。這表明，氣液兩相分界較為明顯，有利于氣相介質(zhì)的單獨回收。

圖10 不同含氣率時氣相體積分數(shù)分布云圖    

    4 結(jié)論

    1） 在含氣率一定的條件下，隨著開啟高度的增大，閥球上下壓差逐漸減??； 在球閥的整個流場中，閥球底部壓力最大； 閥隙處壓力梯度大，閥座倒角下端處較容易產(chǎn)生氣蝕。

    2）在含氣率一定時，閥隙流速隨著開啟高度的增大不斷減小。 部分介質(zhì)由于壓差的作用回流，之后被閥隙的高速介質(zhì)帶出。同一開啟高度下，含氣率對閥隙速度的影響不大，但對流動狀態(tài)有一定的影響。

    3）新型轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵在輸送氣液兩相介質(zhì)時，氣相主要分布在閥球壁附近，遠離閥球氣相介質(zhì)逐漸減少。