往复式油气混输泵组合阀流场非定常仿真分析.pdf

第 5期 2 01 3年 5月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i ne r y De s i g nMa n u f a c t ur e 63 往复式油气混输泵组合阀流场非定常仿真分析 张生昌， 陈锡栋， 邓鸿英 浙江工业大学 ， 浙江 杭州3 1 0 0 1 4 摘要 建立了往复式油气混输泵组合阀简化后的二维轴对称维流场几何模型。根据泵速、 活塞行程和活塞直径等工作 参数， 给定阀的边界条件， 采用标准的 k s湍流模型、 动网格技术以及 U D F用户自定义程序， 对介质不同气液比下组合 阀的启闭过程进行了非定常数值仿真。获得了组合阀开启、 关闭过程中阀芯表面压力分布、 阀隙流速、 瞬态液动力与介质 气液 比、 阀开启高度之 间的定量关 系。结果表明 阀芯开启高度一定时 ， 介 质气液 比越大瞬态液动力越小； 介 质气液 比一 定时， 随着阀芯开启高度的增大瞬态液动力减小。 关键词 往复式油气混输泵； 组合阀； CF D； 气液比； 瞬态液动力 中图分类号 T H1 6 ； T E 9 3 3 ． 3 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 o 5 0 0 6 3 0 4 Un s t e a d y Si mu l a t i o n o f t h e F l o w F i 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 - Ga s Mu l t i p h a s e P u mp ZHANG S h e n g - c h a n g，CHEN Xi -d o n g，DENG Ho ng y i ng Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Z h e j i a n g H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e s i m p l ifi e d 2 - D o x i s - s y m me t r y g e o m e t r y m o d e l o f t h e flo w f dfor r e c ip r o c a t i n g o i l m u h i p h a s e p u m p c o mb i n e d v a l v e i s e s t a b l i s h e d ．C o mb i n e d wi t h pu mp s pe e d， p ist o n s t r o k e a n d p i s t o n d i a me t e r ，g i v e n t h e b o u n d a r y c o n d i t wn D 厂t h e v a l v e ，t h e u n s t e a d y o p e n i n g - c l o s i n gp r o c e s s of c o m b i n e d v alv e u n d e r d if f e r e n t g a s l iq u i d r at i o is s i mu l a t e d ．T h e s i mu l at i o n w as c a r r i e d o n b a s e d o n s t and a r d k - e t u r b u l e n t mo d e l ， d y n a mi c m e s h t e c h n o l o g y and l in e r d e fin e d f u n c t i o n ． The r e l at i o n s h i p 6 e ￡ e e n p r℃ s s u r e d i s t r i b u t i o n o n v al v e c o r e ， v al v e g a p fl o w v e l o c i t y a n d t r a n s i e n t flo w f o r c e t o t h e g as l i q u i d r a t i o and v a l v e o p e n h e i g h t d u r i n g o p e n i n g a n d c l o s i n g o f v al v e are o b t n e d ．The r e s u l t s s h o w t h at t h e t r a n s i e n t flo wf o r c e d e c r e ase s w i t h t h e i n c r e ase ofg as l iqu i d r ati o ， w h e n o p e n h e i g h t k e e p s c o n s t ant ． A n d t h e t r a nsi e n t flo w f o r c e d e c r e ase s w i t h t h e i n c r e a s e o fo p e n h e i g h t ， w h e n t h e g as- l i q u i d r a t i o k e e p s c o nst a n t ． Ke y W o r d s Re c i p r o c a t i n g Oi l - Ga s Mu i t i p h a s e P u mp； Co mb i n e d Va l v e ； CFD； Ga s - -Li q u i d Ra t i o ； Tr a n s i e n t F l o w F o r c e 1 引言 油气混输是近几年迅速发展的一种先进油田开采工艺 ， 已 在石油开采中得到应用 ， 而往复式油气混输泵是油气混输增压 的关键设备之一 。 进出口阀是往复式油气混输泵最关键的水力元件 ，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流体， 在不考虑介质含气量 的前提下， 从阀芯处于某一确定开启高度下的定常模拟 ， 发展 到现在给定阀芯某一运动规律下的非定常仿真 。 但是有关油气 两相工况下往复泵阀流场的研究还很少， 特别是油气两相工况下 阀芯运动过程 中阀内流场的相关研究尚未见报导。 由此可见，利用 F l u e n t 软件对往复式油气混输泵组合阀内 流场进行仿真研究， 分析气液两相工况下 、 阀芯运动过程中组合 阀的工作特性， 对于往复式油气混输泵进出口阀组的设计计算具 有十分重要的理论意义和工程应用价值。 2建立模型 2 ． 1工作参数 往复式油气混输泵组合阀进行仿真计算时，相关的工作参 数 主要包括泵速 、 活塞行程及活塞直径。其中 泵速 n 2 4 0 d m i n ， 行程 S 9 0 mm， 活塞直径 D 1 5 0 mm， 从而可以求得三缸双作用往 复泵的实际流量I8 1 q ,4 S n Z 1 K ， 一1 0 0 m 3 ／ h 1 其 中 A 孚 ；K I 一 式中 一活塞截面积， m ； 2 活塞数； 一容积效率； D 一活塞杆 直径 ， m。 由于三缸双作用往复式油气混输泵每一个缸都配有两个 阀， 因此通过每个组合阀的实际流量为 1 0 0 ／ 6 m S ／ h 。 2 ． 2组合阀结构和网格划分 组合阀主要由阀板、 阀体及附属的弹簧、 螺栓、 密封件等构 成。 该阀采用立式布置方式， 阀体外圈为进口， 内圈为出口。 组合 阀具体结构 ， 如图 1 所示。 来稿 日期 2 01 2 0 7 1 3 作者简介 张生昌， 1 9 5 6 - ， 男， 江西人， 学士， 教授， 主要研究方向 容积泵的研发 机 械 设 计 与 制 造 No ． 5 Ma v ． 2 01 3 受到的瞬态液动力都是负值，即都是使组合阀趋于关闭的作用 力； l 阀芯关闭状态下受到的瞬态液动力都是正值， 即都是使组 合阀趋于开启的作用力； 因此， 可以发现瞬态液动力的方向与阀 芯运动方向相反。 5结论 利用 C F D软件的动网格技术实现了往复式油气混输泵组 合阀流场的非定常模拟， 对解析结果进行总结归纳可得出以下结 论 1 阀芯关闭过程中， 阀芯底面的压力明显大于开启过程和稳 定状态值； 随着两相介质气液比的增大， 阀芯底面的压力减小。 2 组合阀阀芯运动过程中， 不同运动状态下流经阀隙的流量不 同． 从而导致阀隙流速出现差别， 关闭状态下的阀隙流速大于稳 念值， 而稳态值又大于开启状态下的值。 3 在阀芯开启高度一定 时， 介质气液比越大瞬态液动力越小； 介质气液比一定时， 随着阀 芯肝启高度的增大瞬态液动力减小；当组合阀处于小开度时， 瞬 态液动力的值很大． 阀芯关闭状态下的瞬态液动力要大于开启状 态下的瞬态液动力。 参考文献 [ 1 j 一 f} I 清． 邱晓翼． 多相混输泵输送技术在油田的应用[ J ] ． 油气储运 ， 2 0 0 2 ， 2 l 1 3 4 3 6 ． Wa n g S h i - q i n g ，Q i u X i a o - y i ． T h e a p p l i c a t i o n o f mu h i p h a s e mi x t u r e I m mp s d e l i v e r y t e c h n o l o g y i n t h e o i l fi e l d [ J ] ．J o u r n a l o f Oi l A n d G a s S t o r a g e a n d T r a n s p o r t a t i o n ， 2 0 0 2 ， 2 1 1 3 4 - 3 6 ． I 2 J S c h o e n e r H J ． Mu h i p h a a e h e l p f o r g a s r e d u c t i o n [ J ] ． Wo r d P u m p s ， 2 0 0 9 9 2 4 28 ． I 3 j Mo u j a e s S F ， J a g a n R ． 3 D C F D P r e d i c t i o n s a n d E x p e ri m e n t a l C o mp a r i s o n s o f P r e s s ur e Dr o p i n a Ba l l Va l v e a t Di f f e r e n t P a r t i a l Op e n i n g s i n T u r b u l e n t F l o w [ J ] ． J o u r n a l o f E n e r g yE n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 1 3 4 1 2 4 2 8 ． 4 ]P a l a u S a l v a d o r G，G o n z a l e z A h o z a n o P ，A r v i z a V a l v e r d e J ． T h r e e ～ Di me n s i o n a l Mo d e l i n g a n d Ge n me t r i e a l I n flu e n c e o n t h e Hy d r a u l i c P e r f n r ma n c e o f a C o n t ml V a l v e [ J ] ． J o u rna l o f F l u i d s E n g i n e e r i n g ， 2 0 o 8 ． 1 3 0 1 3 - 8 ． 5 张金海 ， 郑水华 ， 邓鸿英新 型铰接式单 向阀流场数值模拟分析[ Jll 流 体机械， 2 01 0 ， 3 8 6 2 6 2 8 ． 上接 第 6 2页 Z ha n g J i n h a l ，Zh e n g Sh u i h u a ．De n g Ho n g- r i n g ．Ne w a r tic ul a t e d c h e c k v a l v e fl o w fi e l d n u me r i c a l s i mu l a t i o n a n a l y s i s l J j ．J o u r n a l o f F I u i d Ma c h i n e ry， 2 0 1 0 ， 3 8 6 2 6 - 2 8 ． [ 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 分折 『 J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 0 7 ， 3 8 1 1 6 9 1 7 2 ． Z h e n g S h u - j u a n ， Qu a nL o n g ， C h e n Qi n g ． C F D c a l c u l a t i o n a n d a n a 1 s i s o f h y d r a u l i c c o n e v a l v e n o w fi e l d i n t h e p r o w e s s o f v a l v e c o r e m o t io n l J j ． J o u r n a l o f Ag nc u l t ur a l Ma c h i n e r y． 2 0 0 7． 3 8 1 1 6 9 1 7 2 ． [ 7 郑淑娟 ， 权龙． 插装型液压锥阀内部流场的i维动态仿真分析 n 液压 气动与密封， 2 0 0 7 ， 2 7 4 3 o _ 3 I ， 2 3 ． Z h e n g S h u - j u a n ， Q u a n L o n g ． 3 D d y n a mi c s i m u l a t i o n o f C a r t r i d g e t y p e h y d r a u l i c c o n e v a l v e i n t e ri o r fl o w fi e l d l J j ． H y d r a u l i c P n e u m a t i c “ a n t i S e a l i n g ， 2 0 0 7 ， 2 7 4 3 0 3 1 ， 2 3 ． [ 8 ] 往复泵设计编写组． 往复泵设计[ M] ． 北京 机械 I 业出版社， 1 9 8 7 ． E d i t o ri a l G r o u p ． R e c i p r o c a t i n g P u mp D e s i g n [ M J ． B e l l i n g Me c h a n i c a l I n d u s t ryP r e s s ， 1 9 8 7 ． [ 9 ] 石金艳 李辉， 谢永超． 阀芯直径对液 锥阀性能的影响f J l _ 机床与液 压 ． 2 0 1 0 ． 3 9 2 0 2 9 3 1 ． S h i J i n - y a n ，L i Hu i ， Xi e Yo n g - c h a o ．I n fl u e n c e o f v a l v e c me di a mc t e r i n h y d r a u l ic c o n e v a l v e p e r f o r ma n c e[ J ] ． Ma e h i n e a n d H y d r a u l i c- ， 2 0 1 0 ， 3 9 2 0 2 9 3 I ． [ 1 O j 李虎林 ， 夏成明， 杨震春． 泵 内部流场 的三维数值仿 n 机械设 计 与制造 ， 2 0 0 9 9 2 0 1 2 0 2 ． L i H u- fi n ，X i a C h e n g m i n g ，Y a n g Z h e n c h u n ． T h r e e d i m e n s i n n a n u m e r i c a l s i mu l a t i o n o f p u mp i n te r n a l f l o w fi e l d[ J I _ M e c h a n i c a l D e s i g n a n d Ma n u f a c ,t u r e ， 2 0 0 9 9 2 0 1 2 0 2 ． [ 1 1 ] 于勇 ， 张俊明 ， 姜连 田． F 1 U E N T入 门与进阶救程 l M ． 北京 北 京理 工大学 出版社 ， 2 0 1 0 ． Yu Yo n g，Zh a n g J u n mi n g，J i a n g Li a n-t i a n ．F LUENT Pr i ma r y a n d A d v a n c e d T u t o ri a l l M j ． B e l l i n g P e k i n g U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 l 0 ． 【 l 2 ] 李宝宽 ， 霍慧芳 ， 栾叶君． R H真空精炼 系统气液两相循环流动的均棚 流模型 [ J ] ． 金属学报 ， 2 0 0 5 ， 4 1 1 6 I 一 6 3 ． L i B d 一 k u a n ． Hu n H u i f a n g ． L u a n Ye - j u n ． H o mo g e n e o u s fl u ,mo d e l o f R H v a c u u m r e fi n i n g s y s t e m g a s l i q u i d t wo p h a s e c i r e u l a t i n g I J J J o u rna l o f Me t a 1 ． 2 O 0 5． 41 1 61 - 6 3 ． 1 ．i Ya n ．L i Xi a n g L o n g．Zh a o Wu ．P r o du c t i n n o v a t i o n d e s i g n me t h o d f u s i n g w i t h c o g n i t i v e p s y c h o l o g y J ] ． C o m p u t e r I n t e g r a t e d Ma n u f a c t u ri n g S y s t e mC I MS ， 2 0 0 5 ， 9 1 1 2 0 1 1 2 0 7 ． f 3 仃 耐梅 ， 黄斌． 云创新2 l 世纪 的创 新模式[ M] ．北京 中共中央党校 L tJ J l ，2 01 0 ． R e i； L i - m e i ， H u a n g B i n ． C l o u d I n n o v a t i o n - T h e 2 1 s t C e n t u ry I n n o v a t i o n M o d e l l J j ． B e l l i n g P a r t y S c h o o l o f t h e C P C C e n t r a l C o m mi t t e e P r e s s ， 2 01 0 ． 4 ] 张力， 唐虹． 微博信息传播机制及其发展困境[ J 3 ． 传媒 E时代， 2 0 1 1 ． Z ha n g Li ，T a n g Ho n g ．Mi c r o P o i n f o r ma t i o n t r a n s mi s s i o n me c h a n i s m a n dd e v e l o p m e n t d i l e mma { J i ．Me d i a EE r a ． 2 0I 1 ． 5 孙卫华， 张庆永． 微博客传播形态解析[ J ] ． 传媒观察， 2 0 0 8 ． S u n We i - h u a ，Z h a n g Q i n g- y o n g ．Mi c r o b l o g e o mm u n i c a t i n n f o r m a n a l y t i c a l [ J ] ． M e d i a O b s e r v a t i o n ， 2 0 0 8 ． f 6 J 冯旭 ， 罗霞． 对云创新模式的再认识 E J ] ．西南民族大学学报 ， 2 0 1 1 ． F e n g X u ， L u o X i a ． C l o u d i n n o v a t i o n p a t t e r n r e c o g n i t i o n l J J ． J o u r n a l o f S o u t h we s t Un i v e r s i ty f o r Na t i o n a l i t i e s ， 2 01 I ． [ 7 ] 刘丽群 ， 末咏梅． 虚拟社区中知识交流的行为动机及影响凶索研究l J J l 新 闻与传播研究 ， 2 0 0 7 ， 1 4 I ． L i u Li q u n．S o n g Yo n g me i ． Be h a v i o r mo t i v a t i o n a n d i n flu e n c e f a c t o r s r e s e a r c h i n v i r t u a l c o mm u n i t y k n o w l e d g e c o m mu n i c a t i o n l J 』 ．J o u r n a l o f J o u r n a l i s ma n dC o mm u n ic a t i o n R e s e a r c h ， 2 0 0 7 ， 1 4 1 ． [ 8 ] 吴琼 ， 邓胜利．虚拟社区中知识创新影响因素的实证研究 [ J I _ 图 枵情报 知识 ． 2 0 】 1 ． Wu Q i o n g ，D e n g S h e n g l i ． V i rt u a l c o m mu n i t y k n o w l e d g e i n n o v a t i o n i n fl u e n c e f a c t o r s e mp i r ic a l s t u d i e s[ J J ．J o u r n a l o f L i b r a r y a n d I n f o r ma t io n Kno wl e dg e ，2 01 1 ． [ 9 j S o o n C h o n g J o h n s o n L i m， Y i n g L i u ， Wi n g B u n I J e e ． A m e t h o d o l o g y for b u i l d i n g a s e ma n t i c a l l y a n n o t a t e d mu l t i f a c e t e d o n t o l o g y f o r p r o d u c t f a mi l y mo d e l i n g [ J J ． A d v a n c e dE n g i n e e r i n g l n a t i e s ． 2 0 1 0 1 ．