水击泄压阀开启过程阀口流场的数值模拟.pdf

水击泄压阀开启过程阀口流场的数值模拟 * 单如健赵会军王波 常州大学 江苏省油气储运技术重点实验室， 江苏 常州 213016 摘要 泄压阀作为管道系统的重要安全部件， 其作用在于保障管道系统超压安全， 减少爆炸性事件的发生。基于雷诺 时均方程和标准 k － ε 紊流模型， 运用 Fluent 动网格和 UDF 技术对某水击泄压阀管道模型进行数值模拟， 通过 UDF 程序控制阀门开启速度， 得到阀口附近流场参数的数值变化。研究表明 水击泄压阀阀芯部分会有明显的节流效应， 导致阀内速度的突变; 随着管道内压力的增加， 管道内部速度总体呈现增大趋势， 噪声和速度具有一定的相关性， 阀门 内部声功率级分布基本呈现对称分布。 关键词 水击泄压阀; 开启过程; 噪声; 数值模拟 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201405012 FLOW FIELD NUMEＲICAL SIMULATION OF WATEＲ HAMMEＲ ＲELIEF VALVE DUＲING OPENING VALVE POＲT Shan ＲujianZhao HuijunWang Bo Jiangsu Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Technology， Changzhou University， Changzhou 213016， China AbstractPressure relief valve is an important safety part a pipeline system，which aims at preventing the pipeline system from over pressure and reducing further risk． Based on ＲANS equations and standard k － ε turbulent model，utilizing dynamic mesh and UDF of Fluent，a water hammer relief valve pipe model numerical simulation was carried out． Through the UDF program controlling the opening speed of valve by UDF program，the numerical variation of flow field parameters near the valve port was collected． Ｒesearch shows that the core part of water hammer relief valve has a throttling effect，resulting in valve velocity mutation;with the increase of pipeline internal pressure，the pipeline internal velocity overally increasescorrelation exists between noise and velocity，and the valve internal sound power level distribution basically shows symmetrical distribution． Keywordswater hammer relief valve;opening process;noise;numerical simulation * 中国石油科技创新基金项目 2010D- 5006- 0605 资助。 收稿日期 2013 －07 －30 0引言 近年来， 长距离输油管道发展很快。长输管道一 个主要的潜在不安全因素是来自管道内水击的破坏。 当管道内油品流速发生变化时， 就会在管道内产生水 击压力脉冲， 流速变化越快， 脉冲压力就会越高， 对输 油管道造成的危害越大， 当产生的压力冲击大于管道 及管道设备的承受压力时就会造成管道及设备的损 坏， 油从损坏处喷射出来， 造成油品泄漏， 引发环境污 染甚至发生火灾爆炸事故。及时消除异常压力波， 避 免水击破坏最主要的安全措施是在管道上安装水击 泄压阀 ［1- 2 ］。 由于泄压过程的复杂性和多样性， 难以通过实验 分析给出较为精确的结论， 且难以获得内流的细节特 征。本文利用 Fluent 软件对不同管道压力下泄压阀 开启过程进行数值模拟 ［3 ］， 运用 UDF 技术严格控制 阀门开启速度， 研究了泄压阀内部的速度和声源功率 级场的细节特征， 以期为实验研究及工程实践提供理 论参考 ［4- 5 ］。 1数理模型及计算方法 1. 1物理模型 本文研究的泄压阀模型来自于罗浮阀门集团生 产的某型号全启式弹簧泄压阀。材料属性和操作条 件均使用程序默认。泄压阀内工作介质为石油， 具体 参数如下 石油密度 ρ 0. 8 kg/m3， 动力黏度 μ 0. 11 kg/ m s ， 操作压力为 1. 01325 105Pa。进口 边界条件为压力进口， 出口为自由出流边界条件。 94 水污染防治 Water Pollution Control 1. 2数学模型及边界条件 数学模型为二维雷诺时均 Navier- Stokes 方程和 双方程标准 k － ε 模型 ［6- 7 ］。标准 k － ε 模型自从被 Launder and Spalding 提出后， 就变成工程流场计算中 主要工具。适用范围广、 经济、 合理的精度， 它在工业 流场和热交换模拟中有较为广泛的应用。 湍流动能方程 k 和扩散方程  t ρk  x i ρkui  x j μ μt σ k k x [] j Gk Gb－ ρε － YM Sk 1  t ρε  x i ρεui  x j αεμe ε x j C 1ε ε k Gk C 3ε Gb－ C 2ε ρ ε2 k － Ｒε Sε 2 以上方程中 Gk表示由层流速度梯度而产生的湍 流动能; Gb是湍流动能; YM是由于在可压缩湍流中， 过渡的扩散产生的波动; C1， C2， C3是常量; Sk和 Se是 用户定义的。 对于不可压黏性流体， 水击泄压阀壁面定义为无 滑移绝热固壁边界; 下游边界， 假设压强已经恢复到 来流压力， 因此出口边界条件为自由出流。 1. 3计算方法 基于非稳态的计算方法， 采用 Fluent 软件进行数 值计算。速度和压力耦合采用 SIMPLE 算法求解 ［8 ］， 扩散项采用二阶精度的中心差分格式。为了使计算 过程降低对处理器及内存的需求和具有较好的网格 质量， 流场采用分块耦合求解方法， 对阀芯附近网格 进行加密处理， 并设置边界层。 对于模拟用泄压阀的模型和网格划分如图 1 所 示， 为验证计算结果与网格数量的关联性， 模拟中对 网格数目为 13 万、 22 万和 38 万三种情形进行了数 值模拟和对比分析。结果表明， 13 万网格与 22 万网 格模型对比， 计算结果显示 13 万网格时候结果不够 精确; 将 22 万网格与 38 万网格模型对比， 相比之下 流动特征基本没有变化， 表明 22 万网格有足够的精 度， 且很大程度减小了计算量， 因此采用 22 万网格进 行研究。 对整个流场区域采用结构网格相处理， 各固体壁 面为无滑移、 无渗透条件 ［7 ］。将石油考虑为常温下 不可压缩流体， 因而不考虑传热的影响， 无需求解能 量守恒方程。 选择动网格模型， 并选择网格更新模型为 弹簧 光滑法和局部重构法。设置动网格区域， 将阀芯所有 对应的边设置为刚体， 阀芯的运动规律默认为由 UDF 程序来进行控制。对所有区域进行初始化， 迭 代的时间步长设为 0. 0005 s， 时间步数为 30， 最大迭 代数为 2 000， 设置每个时间步对数据自动保存， 开始 进行迭代计算。 图 1网格示意 Fig． 1Schematic diagram of grid 1. 4声场预估 采用宽带噪声源模型模拟区域的噪声源分布。 因噪声没有固定的频率， 在涉及宽频噪声的情形下， 通过求解雷诺时均方程得到湍流参数的统计学分布， 并采用声学类比的方法获得宽带噪声源的分布［9 ］。 声功率 W 和声功率级 LW的表达式分别为 W cρ0 u3 l u5 a5 0 3 LW 10lg W W0 4 式中 ρ0为流体密度， kg/m3 ; α 0为声速， m/s; l 为湍流 尺度， m; u 为流体速度， m/s; c 为常数; W0为基准声功 率， 其值为 0. 01 W。 2计算结果分析 为研究泄压阀处于不同压力时的内流特征， 对水 击泄压阀内部速度分布以及声源功率级进行分析研 究。假定管道压力分别为0. 1， 0. 3， 0. 5 MPa， 经过实验 研究， 对应的阀芯速度分别为 0. 03， 0. 045， 0. 060 m/s。 取阀门开高 5 mm 和 8 mm 进行分析研究。 2. 1速度场比较分析 通过非定常数值模拟， 可得到泄压阀开启不同阶段 流场的机理， 深入探讨泄压阀开启阶段内外流场的阀口 机理， 将会给工程实践提供具有指导意义的理论依据。 当管道压力为 0. 1 MPa 时， 速度在泄压阀阀芯前 后发生剧烈变化， 工作流体经过泄压阀口时， 速度快 速升高， 且速度梯度很大 见图 2a 和图 2b 。同时由 于有节流作用导致在泄压阀口处速度增加， 动能增 大， 此时动压是全压的主要变现形式。当开高为 5 05 环境工程 Environmental Engineering mm 时， 对于内流场来说， 由于开启时刻受到泄压阀 芯的反冲作用而导致内流场流体产生紊流的影响， 阀 道内流体不稳定状态加剧， 并将会导致漩涡的产生。 随着开度的增大， 当开度增加到 8 mm 时， 泄压阀底 座部分的高速区域有减小趋势; 同时， 反冲盘内部高 速区域有增大的趋势。此时随着阀门开度的增加， 阀 门内部速度场变化不大， 此时说明当管道压力为 0. 1 MPa时， 5 mm 开度已经具有良好的泄压能力。 图 2管道压力 0. 1 MPa 泄压阀内部速度分布 Fig．2Internal velocity distribution of relief valve at pipeline pressure of 0. 1 MPa 当管道压力增加到 0. 3 MPa 时泄压阀内部速度 分布如图 3a 和图 3b 所示。与图 2 相比， 阀座内部速 度明显加快， 绝大部分区域速度处于 0. 3 ～0. 4 m/s， 在阀芯附近高速区域 ≥1 m/s 明显增大， 且在阀芯 出口前缘速度梯度减缓， 出现了速度渐变的现象。当 泄压阀开启时， 内流场在阀瓣下方中心区形成一个稳 定区， 这里介质不受湍流的影响， 速度很小， 此时压力 主要以静压为主。阀口处速度都发生剧烈的变化， 将 会出现主流与壁面脱离的现象， 近反冲盘壁面速度很 小， 以静压为主， 可能会在反冲盘倒角处存在一个积 聚压力， 它为泄压阀的开启提供了一个附加力， 使得 反冲盘能起到一个辅助开启元件的作用。随着开度 的增加， 在阀口处速度处于 0. 6 ～ 0. 7 m/s 的区域变 小， 不能延伸到阀门出口处。 图 3管道压力 0. 3 MPa 泄压阀内部速度分布 Fig．3Internal velocity distribution of relief valve at pipeline pressure of 0. 3 MPa 随着管道压力的持续增加， 当管道压力增加到 0. 5 MPa 时， 水击泄压阀内部强扰动区域速度持续增 加， 在泄压阀底座部分， 90以上区域保持在 0. 5 m/s 以上， 如图 4a 和图 4b 所示。泄压阀开启的过程中， 阀道内流场速度不高， 当通过阀口的时候， 由于节流 效应流体速度迅速升高。在阀芯部分， 出现高速区域 ≥1 m/s ， 相比管道压力为 0. 1 MPa 和 0. 3 MPa， 高 速区域的范围增大。管道压力的增加， 导致泄压阀内 部流场受阀门开度的影响加剧， 此时， 5 mm 的开度下 阀门不能良好泄压。当阀门开度为 5 mm 时， 如图 4a 所示， 阀门的开度较为严重的限制了泄压能力， 此时， 将会导致二次流的产生， 造成了泄压阀能量损失; 泄 压阀开度增加到 8 mm 时， 节流作用降低， 阀门内部 部分区域增加， 相比阀门开度为 5 mm 时刻， 泄压能 力增强明显。 2. 2声源功率级比较分析 当非均匀流体周期的作用于周围介质时， 将产生 压力脉动进而增大噪声。管道压力以及开度的变化 对泄压阀的影响不仅反映在速度分布上， 而且对阀门 噪声也有明显影响。总体看来， 噪声和速度具有一定 的相关性， 阀门内部声功率级分布基本呈现对称分 布， 最大噪声源集中在阀芯附近的微小区域， 最大值 15 水污染防治 Water Pollution Control 图 4管道压力 0. 5 MPa 泄压阀内部速度分布 Fig．4Internal velocity distribution of relief valve at pipeline pressure of 0. 5 MPa 达到 110 dB 以上， 在泄压阀底座中低部存在一显著 的低噪区。 管道压力为0. 1 MPa， 如图 5a 和图 5b 所示， 随着 阀门开度的增加， 噪声有减小趋势。与开度为5 mm 相 比， 开度为 8 mm 阀芯部分噪声明显降低， 整体小于 100 dB; 在泄压阀底座中下部低噪区域有扩大趋势。 图 5管道压力 0. 1 MPa 泄压阀内部声源功率级分布 Fig． 5Internal sound power distribution of relief valve at pipeline pressure of 0. 1 MPa 管道压力增加到0. 3 MPa， 与0. 1 MPa 不同， 随着 开度的增加， 泄压阀内部声源功率总体呈现增加趋 势， 如图 6a 和图 6b 所示; 管道压力的增加， 泄压阀整 体声源功率级增加。开度为 8 mm 时， 在阀芯附近区 域均保持在 110 dB 以上， 且该区域有扩大的趋势; 在 泄压阀底座中低部噪声也明显增加。 图 6管道压力 0. 3 MPa 泄压阀内部声源功率级分布 Fig． 6Internal sound power distribution of relief valve at pipeline pressure of 0. 3 MPa 随着管道压力的持续增加， 引起泄压阀内部声源 功率级的变化， 如图 7a 和图 7b 所示。相比 0. 3 MPa， 阀内声源功率级有增加的趋势， 总体看来， 高压区域呈 现增加的趋势， 低压区域呈现减小的趋势。此时阀门 开度对阀内声源功率级亦有明显的影响， 且影响较为 显著， 在反冲盘上部高噪声区域 60 ～70 dB 变小。 3结论 本文主要对泄压阀流场数值模拟结果进行分析， 通过非稳态数值模拟流场分析泄压阀开启阶段的速 度分布和声源功率级场， 深入分析了泄压阀开启阶段 阀口内外流场机理， 得到以下结论 下转第 72 页 25 环境工程 Environmental Engineering 2 两家污水厂污泥中重金属含量均满足我国农 用泥质标准中 B 级污泥标准， 但 HD 污水厂 Zn 和 Cd 含量、 QDW 污水厂 Cd 含量超出 A 级污泥标准， 污泥 在农用时禁止施用于蔬菜和粮食作物， 1 hm2土地施 用量不高于 7. 5 t， 农田连续施用不应超过 10 a， 污泥 农用时要尤其注意 Cd 的污染问题。 3 污泥中 Zn 和 Cd 主要以残渣态和有机结合态 为主， 其余三种形态所占比例较小， Pb 和 Cd 以残渣 态、 碳酸盐结合态和铁锰氧化态为主。Zn、 Cu 的不可 利用态所占比例均在 50 以上， 其生物可用性较低。 Pb、 Cd 生物有效态和潜在有效态所占比例之和在 50以上， 有较强的生物可利用性， 存在潜在风险， 在 污泥农用时要引起重视。 参考文献 ［1］张敏芳． 污泥分质集中处理 － 我国污泥处理发展的趋势［J］ ． 水工业市场， 2012 1 45- 47. ［2］刘清， 王子健， 汤鸿霄． 重金属形态与生物毒性及生物有效性关 系的研究进展［ J］ ． 环境科学， 1996， 17 1 89- 92. ［3］陈同斌， 李艳霞， 金燕， 等． 城市污泥复合肥的肥效及其对小麦 重金属吸收的影响［ J］． 生态学报， 2002， 22 5 643- 648. ［4］鲍士旦．土壤农化分析 ［ M ］ ．3 版． 北京 中国农业出版社， 2008. ［5］Tessier A，Campbell P G C，Bisson M． Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals［J］． Analytical Chemistry， 1979， 51 7 844- 850. ［6］李艳霞， 陈同斌， 罗维， 等． 中国城市污泥有机质及养分含量与 土地利用［J］ ． 生态学报， 2003， 23 11 2464- 2474. ［7］CJ/T 3092009 城镇污水处理厂污泥处置农用泥质标准［S］ ． ［8］林立君， 贺君， 王帅杰， 等． 秦皇岛城市污水处理厂剩余污泥基本 性质及农用价值分析［ J］ ． 环境科学与管理， 2006， 31 5 38- 40. ［9］谭国栋， 李文忠， 何春利． 北京市污水处理厂污泥特性分析 ［J］． 科技信息， 2011 7 19- 21. ［ 10］刘敬勇， 孙水裕， 许燕滨， 等． 广州城市污泥中重金属的存在特 征及其农用生态风险评价［J］ ． 环境科学学报， 2009， 29 12 2545- 2556. ［ 11］孙西宁， 张增强， 张永涛， 等． 陕西杨凌污水处理厂污泥成分月 际变化及其土地利用探讨［J］ ． 西北农林科技大学学报． 自然 科学版， 2007， 35 9 215- 220. ［ 12］张朝升， 陈秋丽， 张可方， 等． 大坦沙污水厂污泥重金属形态及 其生物有效性的研究［J］ ． 农业环境科学学报， 2008， 27 3 1259- 1264. 第一作者 罗艳丽 1977 － ， 女， 硕士， 副教授。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 luoyanlimail sina． con 上接第 52 页 图 7管道压力 0. 5 MPa 泄压阀内部声源功率级分布 Fig． 7Internal sound power distribution of relief valve at pipeline pressure of 0. 5 MPa 1在水击泄压阀阀芯部分会有明显的节流效 应， 导致阀内速度的突变， 引起泄压阀内部动能的变 化， 且相应的会引起噪声的变化。 2随着管道压力的增加， 管道内部速度总体呈 现增大趋势， 随着阀门开度的增大， 可以明显地看出 节流作用的降低。 3噪声和速度具有一定的相关性， 阀门内部声 功率级分布基本呈现对称分布， 最大噪声源集中在阀 芯附近的微小区域， 最大值达到 110dB 以上， 在泄压 阀底座中低部存在一显著的低噪区。 参考文献 ［1］李仕． 输油站水击泄放阀的使用与维护［J］ ． 石油库与加油站， 2009， 18 6 36- 38. ［2］杨源泉． 阀门设计手册［ M］． 北京 机械工业出版社， 2004. ［3］袁新明， 贺治国， 毛根海． 用 ＲNG k- ε 紊流模型对截止阀三维紊 流流动的数值模拟［ J］． 流体机械， 2006， 34 2 34- 35. ［4］张龙涛， 向虎． 一种大流量先导式平面截止阀明［J］ ． 煤矿机 械， 2007， 28 1 119- 120. ［5］王禁非， 黄晓云． 先导式高压清水截止阀的设计［J］． 阀门， 2006 2 13- 14. ［6］王福军． 计算流体动力学分析 CFD 软件原理与应用［M］． 北 京 清华大学出版社， 2004 125- 129. ［7］韩占忠． Fluent流体工程仿真计算实例与分析［M］． 北京 北 京理工大学出版社， 2009. ［8］杨玲霞， 郭佩佩， 范如琴． 平流沉淀池紊流流场的数值模拟 ［J］． 环境工程， 2008， 26 4 87- 88. ［9］安连锁， 吕玉坤． 泵与风机［ M］． 北京 中国电力出版社， 2008． 第一作者 单如健 1988 － ， 男， 硕士， 主要从事输油管道水击泄压阀 等方向的研究。291563873 qq． com 27 环境工程 Environmental Engineering