動態(tài)滑閥內(nèi)低沸點(diǎn)流體輸送特性及彎管粘滯汽化數(shù)值模擬.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對管道長距離低沸點(diǎn)流體輸送理論與技術(shù)的發(fā)展提出新的研究方向。本文主要針對管道長距離低沸點(diǎn)流體輸送技術(shù)進(jìn)行研究，主要包括:動態(tài)滑閥內(nèi)部的流場水力特性研究和低沸點(diǎn)流體在彎管計算域內(nèi)的粘滯汽化引起的管道摻汽水流問題。動態(tài)滑閥的內(nèi)部流場特性研究主要是對滑閥啟閉過程的流場內(nèi)部水力特性進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，得到滑閥在不同啟閉開度條件下滑閥內(nèi)部流場的瞬態(tài)壓力和流速結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。彎管的粘滯汽化問題主要是探究低沸點(diǎn)流體流經(jīng)彎管產(chǎn)生的粘滯汽

2、化現(xiàn)象，分析粘滯汽化現(xiàn)象形成機(jī)理以及隨著彎管曲率半徑的變化，彎管及其下游區(qū)域的沿程汽化程度。
　　本文以沸點(diǎn)低、粘滯性高的四氧化二氮流體作為研究對象，采用FLUENT軟件對動態(tài)滑閥的內(nèi)部流場特性以及彎管計算域內(nèi)的粘滯汽化問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究與分析。首先建立了動態(tài)滑閥和不同曲率半徑彎管的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合流體偏微分方程及相應(yīng)的邊界條件分別對Fluent軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，編寫了動網(wǎng)格模型以及質(zhì)量傳輸模型的UDF程序，為動態(tài)滑閥內(nèi)部流場

3、以及不同曲率半徑彎管的粘滯汽化問題的進(jìn)一步研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　動態(tài)滑閥內(nèi)部流場水力特性的研究引入了VOF兩相流模型和動網(wǎng)格模型，用以捕捉滑閥啟閉過程中自由面的瞬態(tài)變化位置與規(guī)律，其研究內(nèi)容包括相同進(jìn)液管道入口流量條件和同一滑閥開度條件下，滑閥內(nèi)部流場的壓力特性、流速結(jié)構(gòu)以及兩相流分布特點(diǎn)等問題。彎管的粘滯汽化問題的研究引入了質(zhì)量傳輸模型和湍流模型實(shí)現(xiàn)彎管區(qū)域流體碰撞摩擦，形成的氣液兩相間的相互轉(zhuǎn)化。研究內(nèi)容包括彎管的壓力分布

4、、流速分布、兩相流分布規(guī)律以及最優(yōu)彎管曲率半徑的確定等內(nèi)容。通過對以上水力學(xué)問題的數(shù)值模擬分析得到動態(tài)滑閥內(nèi)部水力特性以及彎管粘滯汽化兩相流的分布規(guī)律。具體研究成果如下:
　　(1)相同進(jìn)口流速工況條件，隨著滑閥啟閉開度的不斷增加，出液管道內(nèi)部的液相流量逐漸增大，流場水面線逐漸提高，液相體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小;回流管道的內(nèi)部流場情況則恰恰相反，氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，液相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小;滑閥開度達(dá)到完全開度狀態(tài)，出

5、液管道的內(nèi)部紅色液相將管道基本充滿，回流管道內(nèi)部的水面線將降至所在管道的底邊界上。
　　(2)相同滑閥開度工況條件，隨著進(jìn)液管道入口流速的逐漸增大，出液管道與回流管道內(nèi)部的氣相計算域的面積均逐漸減小，且氣相計算域的長度范圍縮短，液相流體的計算域面積逐漸增大;滑閥位置流體發(fā)生湍流作用，液相區(qū)域出現(xiàn)局部摻汽現(xiàn)象，兩相間水面線的變化幅度較大;回流管道內(nèi)部水面線平穩(wěn)不存在明顯的劇烈波動現(xiàn)象，滑閥處的雍高水面線較明顯。
　　(3)相同

6、的進(jìn)口流速工況條件，混合流體中液相流場壓力值明顯高于氣相流場的壓力值;隨著滑閥啟閉開度的增加，出液管道內(nèi)部液相流場壓力逐漸增大，回流管道內(nèi)部氣相流場逐漸降低，出液管道內(nèi)部氣相流場壓力值逐漸增大，回流管道內(nèi)部氣相壓力值逐漸降低。
　　(4)滑閥所在的水平管道內(nèi)兩側(cè)出現(xiàn)了不同程度范圍的低壓流場區(qū)域;在滑閥開度為一半的位置處，滑閥兩側(cè)管道內(nèi)部的流場低壓區(qū)域的面積基本相等;動邊界滑閥的近壁面區(qū)域出現(xiàn)了局部高壓區(qū);相同的滑閥啟閉開度條件，隨

7、著進(jìn)液管道入口流速的增大，氣相流場的壓力逐漸增大，液相流場的壓力也同時增大，該規(guī)律適用于出液管道與回流管道的內(nèi)部流場計算域。
　　(5)相同的進(jìn)口流速工況條件，隨著滑閥啟閉開度的增加，平直管道內(nèi)部流場的水平流速分布規(guī)律呈現(xiàn)出對稱分布特點(diǎn)。動邊界滑閥啟閉開度為50％，出液管道的流量基本與回流管道流量相等。隨著滑閥啟閉開度的增加，水平管道內(nèi)部的氣相流場的平均流速均增大;出液管道內(nèi)部的液相流場的平均流速逐漸增大，回流管道內(nèi)部液相流場的平

8、均流速逐漸降低。
　　(6)相同滑閥開度工況條件，隨著進(jìn)液管道入口流速的增大，水平管道內(nèi)部液相流場的平均流速逐漸增大，并且水平管道內(nèi)部的氣相流場平均流速也逐漸增加;動邊界滑閥近壁面區(qū)域的平直管道下部出現(xiàn)了一定范圍的水平低速區(qū)域。進(jìn)液管道內(nèi)部橫向斷面流場的流速分布為拋物線分布規(guī)律。
　　(7)水平管道內(nèi)部的豎向流速變化規(guī)律較為明顯的區(qū)域?yàn)榛y壁面附近流場區(qū)域，其余流場位置的豎向流速基本為零。水面線下降導(dǎo)致平直管道兩側(cè)存在一定范

9、圍的反向豎向流速區(qū)域;對于相同的進(jìn)液入口流速條件，隨著滑閥啟閉開度增加，出流管道內(nèi)部氣相流場的豎向流速方向向上，回流管道內(nèi)部氣相流場的豎向流速方向向下，兩者的平均流速值均逐漸增加，出流管道內(nèi)部液相流場的豎向流速逐漸減小，回流管道內(nèi)部液相流場的豎向流速逐漸增加。
　　(8)相同滑閥開度工況條件，隨著進(jìn)液管道入口流速的不斷增加，出液管道內(nèi)部氣相流場的平均流速逐漸增大，且流速方向?yàn)樨Q直向上，回流管道內(nèi)部豎向氣相流場平均流速逐漸降低且方向

10、向下。出液管道和回流管道內(nèi)部流場的液相豎向平均流速均逐漸降低，滑閥近壁面兩側(cè)流場的豎向平均流速變化幅度較大的計算區(qū)域面積逐漸減小。
　　(9)相同的進(jìn)口流速工況條件，滑閥近壁面流場區(qū)域兩側(cè)的最大豎向流速值基本相等，表明滑閥開度的變化沒有出現(xiàn)流速的突變現(xiàn)象，隨著滑閥啟閉開度的增大，滑閥兩側(cè)流場表現(xiàn)出明顯的對稱特征。隨著滑閥啟閉開度的逐漸提高，出液管道內(nèi)部流場的平均流速逐漸增加，回流管道的內(nèi)部流場的平均流速逐漸減小，“全開”或“全閉”

11、兩種動邊界狀態(tài)的流速分布呈現(xiàn)基本一致的對數(shù)分布規(guī)律，動邊界滑閥近壁面區(qū)域出現(xiàn)了紊流工況。
　　(10)相同上游管道入口流速條件，其中上游直管段一般不發(fā)生粘滯汽化現(xiàn)象，但是下游直管段與彎管區(qū)域的末端的粘滯汽化現(xiàn)象較為明顯;隨著管道彎管段的曲率半徑逐漸增大，下游直管道內(nèi)部的氣相流場區(qū)域面積呈現(xiàn)先較小后增大的變化規(guī)律，該區(qū)域摻汽程度先減小后增大。相同管道彎管曲率半徑條件，隨著上游管道入口流速的增大，下游管道的摻汽程度逐漸增強(qiáng)，氣相體積增

12、加，液相體積減小。
　　(11)相同的上游管道入口流速條件，隨著90度彎管曲率半徑的不斷增大，整體管道內(nèi)部流場的溫度升高速度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢;整個管道內(nèi)部的溫度變化從管道入口到管道出口溫度逐漸升高，上游直管段溫度升高梯度較小，下游直管段的溫度升高梯度較大;90度彎管內(nèi)部流場分布較為均勻，沒有出現(xiàn)明顯的高速流場區(qū)域，氣相和液相流場區(qū)域的平均速度基本一致。
　　(12)相同彎管曲率半徑條件，隨著上游管道入口流速的增大，

13、下游直管道以及彎管末端的溫度變化梯度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，彎管區(qū)域的壓降區(qū)域面積呈現(xiàn)先增加后減小，使得彎管下游的整體汽化程度明顯先降低后升高;由于流體在彎管段產(chǎn)生粘滯汽化現(xiàn)象，導(dǎo)致上游直管段的橫斷面流場呈現(xiàn)拋物線型分布規(guī)律，但是下游直管段以及彎管區(qū)域的流場基本呈現(xiàn)對數(shù)分布規(guī)律。
　　(13)相同的上游管道入口流速條件，隨著彎管曲率半徑的增大，彎管區(qū)域的流速逐漸升高。管道內(nèi)部從上游到下游壓強(qiáng)分布呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，且在

14、管道內(nèi)部彎管區(qū)域壓力值最低。同時隨著彎管曲率半徑的逐漸增大，彎管區(qū)域的低壓區(qū)域面積先變大后變小，下游流場沿程粘滯汽化引起的氣相體積也呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，并且下游直管道的汽化程度沿程逐漸減小。
　　(14)管道內(nèi)部流場上游直管段一般不發(fā)生粘滯汽化現(xiàn)象，汽化程度受到彎管曲率半徑的影響較大。隨著90度彎管曲率半徑的增大，彎管下游管道的汽化體積分布曲線變化規(guī)律的趨勢基本一致，汽化程度呈線性關(guān)系逐漸提高;相同90度彎管曲率半徑條件，