（流体机械及工程专业论文）往复式油气混输泵组合阀工作特性的仿真分析.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r i i l l lil llu ui ii 1lu i y 2 2 7 3 3 01 s i m u l a t i o na n a l y s i so fo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sf o r c o m b i n e dv a l v ei nr e c i p r o c a t i n g o i l - g a sm u l t i p h a s e p u m p c a n d i d a t e ：c h e nx i d o n g a d v i s o r ：z h a n gs h e n g c h a n g ，d e n gh o n g y i n g c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y n o v2 0 1 2 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 砾锯椽 日期：脚亿月刀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 陈耦丰东 胁 日期：卫叱年 日期：上哝年 f 2 月瑚日 1 , 2 真碡日 浙江工业大学硕士学位论文往复式油气混输泵组合阀工作特性的仿真分析摘要为了解决现有油气混输泵效率低、可靠性差、且不具备内压缩功能，难以适应高含气、高压缩比油气混输工况的问题，满足油田消灭火炬，回收天然气急需，提出了一种新型往复式油气混输泵。鉴于目前往复式油气混输泵相关研究工作尚属起步阶段，其进出口单向阀工作机理不清。本文以该泵用组合阀为研究对象，分别从阀内流场、阀滞后角、泵输入功率等方面进行理论分析及数值模拟研究，初步掌握了该组合阀在气液两相工况下的工作特性。具体研究工作如下：1 基于组合阀的实际结构，建立三维流场几何模型，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了稳态数值模拟，得到了最大开启高度和介质气液比共同作用下的组合阀阀隙流速、进出口压差、流量系数。2 对不同气液比工况下组合阀的启闭过程进行了非定常数值仿真，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，对组合阀简化后的二维轴对称流场几何模型进行可视化的动态仿真研究。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、阀芯总作用力与气液比、开启高度之间的定量关系。3 分析建立了往复式油气混输泵组合阀滞后角的理论公式，研究得出了该阀滞后角的数学计算方法和步骤；通过实例计算与分析，得到了组合阀滞后角随吸入压力、排出压力、气液比的变化特征。应用f l u e n t 软件中的m i x t u r e 多相流模型及动网格技术，对油气两相介质内压缩过程进行了数值模拟计算。将理论计算结果与数值模拟结果进行比较，验证了组合阀滞后角理论公式的准确性，可为往复式油气混输泵组合阀滞后角的设计计算提供参考。4 通过分析往复式油气混输泵工作原理，结合组合阀排出阀芯开启压力平衡方程和油气两相绝热内压缩过程方程，推导出了输入功率的理论公式。通过实例计算，总结出了不同吸入压力、不同排出压力、不同气液比工况下三缸双作用往复式油气混输泵输入功率的变化规律。关键词：往复式油气混输泵，组合阀，流场，f l u e n t ，滞后角，输入功率 原书空白页 不缺内容 浙江工业大学硕士学位论文s i m u l a t i o na n a l y s i s0 f0 p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sf o rc o m b i n e dv a l v ei nr e c i p r o c a t i n go i l g a sm u l 月i p h a s ep u m pa b s t r a c te x i s t i n go i l g a sm u l t i p h a s ep u m pe x p o s et h ep r o b l e mo fl o we f f i c i e n c y ，p o o rr e l i a b i l i t y ，w i t h o u ti n t e r n a lc o m p r e s s i o nf u n c t i o n ，d i f f i c u l tt oa d a p tt oh i g hg a sc o n t e n ta n dh i g hc o m p r e s s i o nr a t i oc o n d i t i o n ，i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m sa n dm e e tt h eu r g e n tn e e do ft o r c he l i m i n a t i o na n dn a t u r a lg a sr e c o v e r y ，an e wt y p eo fr e c i p r o c a t i n go i l g a sm u l t i p h a s ep u m pi sp r o p o s e d g i v e nt h er e l a t e dr e s e a r c ho fr e c i p r o c a t i n go i l g a sm u l t i p h a s ep u m pi ss t i l li ns t a r t i n gs t a g e ，t h ew o r k i n gm e c h a n i s mo fi t si m p o r ta n de x p o r tc h e c kv a l v ei sn o tc l e a r t h i sp a p e rd o e ss o m et h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ha b o u tf l o wf i e l da n dl a g g i n ga n g l eo fc o m b i n e dv a l v e ，i n p u tp o w e ro ft h ep u m p a tl a s t ，t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co fc o m b i n e dv a l v eu n d e rg a s 1 i q u i dt w o p h a s ec o n d i t i o ni sp r e s e n t e d t h em a i ns t u d i e sa r ea sf o l l o w s 1 a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo ft h ec o m b i n e dv a l v e ，as i m p l i f i e d3 - dg e o m e t r ym o d e lo ft h ef l o wf i e l di se s t a b l i s h e d t h es t e a d y s t a t en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi n t e r n a lf l o wf i e l du n d e rd i f f e r e n tm a x i m u mo p e nh e i g h t sa n dg a s - l i q u i dr a t i oi sd o n eu s i n gs o f t w a r ef l u e n t t h i ss i m u l a t i o ng e tt h ev a l v eg a pf l o wv e l o c i t y 、p r e s s u r ed r o pa n dd i s c h a r g ec o e f f i c i e n tu n d e rt h ej o i n ta c t i o no fm a x i m u mo p e nh e i g h ta n dg a s - l i q u i dr a t i o 2 as i m p l i f i e d2 一da x i s s y m m e t r yg e o m e t r ym o d e lo ft h ef l o wf i e l di se s t a b l i s h e d ，t h eu n s t e a d yo p e n i n g - - c l o s i n gp r o c e s so fc o m b i n e dv a l v eu n d e rd i f f e r e n tg a s - l i q u i dr a t i oi ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o ni sb a s e do ns t a n d a r dk 一占t u r b u l e n tm o d e l ，d y n a m i cm e s ht e c h n o l o g ya n du s e rd e f i n e df u n c t i o n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r ed i s t r i b u t i o no nv a l v ec o r e ，v a l v eg a pf l o wv e l o c i t y ，t r a n s i e n tf l o wf o r c e ，v a l v ec o r et o t a lf o r c ea n dg a s - l i q u i dr a t i o ，v a l v eo p e nh e i g h td u r i n go p e n i n g - c l o s i n gp r o c e s so fv a l v ea r eo b t a i n e d 3 t h et h e o r e t i c a lf o r m u l ao fl a g g i n ga n g l ef o rr e c i p r o c a t i n go i l g a sm u l t i p h a s ep u m pc o m b i n e dv a l v ei se s t a b l i s h e d ，a n dt h em a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o da n ds t e po fl a g g i n ga n g l ef o rt h i sv a l v ei sa c h i e v e d t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fe x a m p l e ，t h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl a g g i n ga n g l ef o rc o m b i n e dv a l v eu n d e rd i f f e r e n ts u c t i o np r e s s u r e ，d i s c h a r g ep r e s s u r ea n dg a s l i q u i dr a t i oa r eo b t a i n e d t h em u l t i p h a s em i x t u r em o d e la n dd y n a m i cm e s ht e c h n o l o g ya r ee m p l o y e d ，a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi n t e m a lc o m p r e s s i o np r o c e s sf o rg a s l i q u i dm i x t u r ei sd o n e c o m p a r e dt h er e s u l t so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h et h e o r e t i c a lf o r m u l ao fl a g g i n ga n g l ei sc o n f i r m e d 1 1 1 a b s t r a c tt h es t u d yr e s u l t sc a l lp r o v i d er e f e r e n c ef o rl a g g i n ga n g l ed e s i g no fc o m b i n e dv a l v e 4 t h r o u g ha n a l y s i so fw o r k i n gp r i n c i p l ef o rr e c i p r o c a t i n go i l g a sm u l t i p h a s ep u m p ，c o m b i n e dw i t l lt h eb a l a n c ee q u a t i o no fo p e n i n gp r e s s u r ef o rc o m b i n a t i o nv a l v ea n da d i a b a t i ci n t e r n a lc o m p r e s s i o np r o c e s sf o rg a s l i q u i dm i x t u r e ，t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fi n p u tp o w e ri sd e d u c e d u s i n ga na c t u a ld e s i g ne x a m p l e ，t h ev a r i a t i o no fi n p u tp o w e rf o rt h r e e c y l i n d e rd o u b l e a c t i n gr e c i p r o c a t i n go i l - g a sm u l t i p h a s ep u m pu n d e rd i f f e r e n ts u c t i o np r e s s u r e ，d i s c h a r g ep r e s s u r ea n dg a s 1 i q u i dr a t i oi ss u m m a r i z e d k e yw o r d s ：r e c i p r o c a t i n go i l g a sm u l t i p h a s ep u m p ，c o m b i n e dv a l v e ，f l o wf i e l d ，f l u e n t ，l a g g i n ga n g l e ，i n p u tp o w e ri v 浙江工业大学硕士学位论文目录摘要ia b s t r a c t i i i符号说明v i i第1 章绪论11 1 课题背景及意义11 2 国内外研究现状21 2 1液态工况21 2 2 气液两相工况61 3 研究目标及研究内容71 3 1研究目标71 3 2 研究内容7第2 章往复式油气混输泵组合阀的建模1 02 1 组合阀结构特征1 02 2 组合阀工作原理1 22 3 组合阀流场模型建立1 22 3 1稳态c f d 模型1 22 3 2瞬态c f d 模型1 42 4 本章小结1 5第3 章往复式油气混输泵组合阀流场数值模拟分析1 63 1 往复式油气混输泵参数指标1 63 2 组合阀流场的稳态仿真分析1 73 2 1 组合阀稳态仿真计算模型1 73 2 2 边界条件和计算条件183 2 3 稳态仿真结果183 2 4 流量系数2 43 3 组合阀流场的瞬态仿真分析2 53 3 1组合阀瞬态仿真计算模型2 63 3 2 边界条件和求解设置2 63 3 3瞬态仿真结果2 73 3 4 瞬态液动力3 03 3 5阀芯总作用力3 33 4 本章小结3 9v 目录第4 章往复式油气混输泵组合阀滞后角的计算与分析4 l4 1 组合阀滞后角定义4 14 2 组合阀滞后角分析计算4 24 2 1内压缩终止压力4 24 2 2 气液两相内压缩增压过程4 34 2 3滞后角4 54 3 滞后角实例计算4 64 4c f d 数值模拟分析验证4 84 4 1物理模型与网格划分4 94 4 2 控制方程4 94 4 3 动网格的建立5 04 4 4f l u e n t 求解器求解514 4 5 数值模拟与理论计算结果比较514 5 本章小结5 3第5 章往复式油气混输泵输入功率的计算与分析5 45 1 往复式油气混输泵工作原理5 45 2 输入功率计算5 55 2 1排出阀芯开启压力5 55 2 2内压缩终止两相介质容积5 55 2 3 输入功率5 65 3 输入功率实例计算5 75 3 1不同吸入压力和气液比下的输入功率5 85 3 2 不同排出压力和气液比下的输入功率5 95 4 本章小结6 1第6 章总结与展望6 26 1 总结6 26 2 本论文创新点6 36 3 展望6 4参考文献6 5致谢6 8攻读学位期间参加的科研项目和成果6 9 浙江工业大学硕士学位论文符号说明活塞截面积，m 2活塞杆直径，m活塞数容积效率往复泵泵速，r p m活塞行程，n 1 1 1 1活塞直径，m m动力粘度，p a s阀口流量系数阀的体积流量，m 3 s阀进出口压差，p a介质密度，k g m 3阀隙过流面积，m 2排出阀芯直径，m阀芯最大开启高度，m介质初始气液比天然气密度，起m 3油液密度，k g m 3阻尼长度，m瞬态液动力，n稳态时阀芯对介质的作用力，n稳态时介质对阀芯的作用力，n阀芯上表面压力，p a阀芯下表面压力，p a截面1 1 处轴向流速，m s截面2 2 处轴向流速，m s弹簧预紧力，n弹簧刚度系数动态时阀芯对介质的作用力，nv i i，办它亿彳口z ；聆sd qq 时p 钺d 办风&a三只民r 只只rc 昂 符号说明动态时介质对阀芯的作用力，n阀芯总作用力，n油气两相介质吸入压力，p a油气两相介质排出压力，p a排出阀芯开启压力，p a阀座孔截面积，m 2阀芯面积，m 2阀芯重力，n阀芯质量，k g阀座孔当量直径，m曲柄角速度，1 s阀滞后角，o阀芯加速度，m s 2泵缸容积，m 3初始状态下泵缸容积，m 3油液的比热，j ( k g - k )天然气的定容比热，j 张g k )油气两相介质的质量含气率气体常数，j 张g k )活塞的位移，m曲柄半径，m曲柄连杆比曲柄转角，o介质绝热压缩过程指数单缸单作用泵循环总功，j泵的输入功率，wv i i ir，昂鼻最 石g朋农缈口y q口尺x厂允秒k 呒名 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 课题背景及意义油气混输是近几年迅速发展的一种先进油田开采工艺，其突出优点在于回收利用天然气能源和节约资金，己在石油开采中得到应用【l 2 1 。随着沙漠、海洋、滩海油气田的开发以及油气集输配套技术的发展，油气混输已成为各国研究的热点。而油气属多相介质，混输极为困难，是国际原油开采业面临的一项重大难题【3 卅。因此，研究开发一种集泵和气体压缩机功能于一体，可用于油气混输的增压设备，已成为世界泵业科研攻关重中之重。油气混输泵在油气混输中具有明显的优势，可以有效缓解油气混输的现状，但其水力设计仍然困难。与单相泵和压缩机不同，其工作机理尚不明确，目前仍然需要根据大量的试验结果进行优选，存在很大盲目性，且这一过程耗时长、耗资大。目前，油气混输过程中多使用的是转子式和离心式油气混输泵，存在排出压力低、输气压缩比小、不具备内压缩功能、效率低等缺点。而往复式油气混输泵突破了现有泵型技术的束缚，大胆采用往复式泵型，同时具备了泵和压缩机的功能，且能够适应高压缩比、高含气比的工况，工作效率高。往复泵进出口阀是往复泵工作过程中最关键的水力元件，也是往复泵中最重要的易损件之一，其设计的好坏直接影响泵的工作性能和使用寿命【5 j 。目前，往复泵阀存在的主要问题有：过流面积小、汽蚀性能差、阀芯寿命短、导向差、效率低。长期以来，在泵阀设计方面并没有充分考虑其内部的流动现象对其性能的影响，或将其内部流动过于简化。实质上，泵阀的精确设计和节能降噪控制以及工作可靠性等共性问题必须结合阀内流动状态和流体力学相关问题进行分析。从流场的微观角度深入研究流道形状、流场流态与阀工作特性之间的关系，通过对泵阀结构参数进行优化，从而对流场施加一定的控制【6 j ，以达到泵阀稳定工作的目的是一种根本性的研究方法。然而，由于泵阀内部流道结构、边界条件以及流体流动的复杂性，使得对其流场的解析研究变得极为困难。随着c f d 技术的快速发展和流场显示技术的不断进步，c f d 数值模拟为进行泵阀内部复杂流场的研究提供了有力手段。许多发达国家在泵阀的研发中己运用数值模拟进 第1 章绪论行设计方案的预选，再以少量试验来确定最终的设计方案，已基本上避免了带有盲目性的试验【7 】。应用c f d 方法对泵阀内部流场进行仿真模拟和可视化研究，进而分析泵阀的工作性能，已成为泵阀研究的热点【8 。而流量系数作为衡量泵阀流通能力的指标，是泵阀设计和应用过程中必须考虑的一个重要参数。当介质流经泵阀阀隙时，由于介质流速发生变化，阀芯上会产生液动力。液动力在阀芯受力中所占比例很大，它不仅会影响泵阀的操纵力，还可能引起阀的自激振动，从而影响整台泵工作的稳定性和可靠性。但目前为止，对于往复泵阀的研究只是涉及单相的液态介质，关于气液两相工况下的研究还未见相关报导。因此，本课题通过对往复式油气混输泵组合阀进行仿真分析，可以模拟和展现组合阀气液两相流场内部流动参数的分布和变化规律。深入研究往复式油气混输泵组合阀工作过程中内部气液两相流场的情况，如速度矢量图、压力云图和流线图的可视化分析以及组合阀阀芯所受液动力的分析，不仅可以弥补实验研究的缺陷，而且能够提供实验无法获得的数据，可以为设计出高效、节能、低噪声、长寿命的往复式油气混输泵阀提供理论基础和技术支撑，从而提高往复式油气混输泵的工作效率，大大提高经济效益。1 2 国内外研究现状1 2 1液态工况目前，运用c f d 技术进行泵阀的研究正在兴起，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，且不考虑介质含气量的情况下，应用c f d 数值模拟方法对泵阀的内部流场及其工作特性进行仿真分析。主要的研究工作集中在以下几个方面：开启高度，边界条件，流道形状，阀芯运动速度以及弹簧作用力。主要是通过保持其它参数不变，而控制其中一个变量发生变化，从而进行泵阀的研究。不同开启高度从c f d 数值模拟技术的提出到泵阀研究中的应用，对于泵阀的研究很大一部分是集中在阀芯处于某一恒定开度时，阀内流场的具体状况。郑淑娟等p 以o 】对简化为轴对称的二维流场模型和根据实际结构的三维面对称流场模型两种情况，应用f l u e n t 软件，进行了仿真计算和可视化研究，获得了不同开度下，锥阀阀腔内的速度场、压力场以及流线图。在边界条件相同的情况下，随着阀开口度的增大，漩涡区逐渐减小，能量耗散减小。陈云富1 以c f d 软件f l u e n t 为基础，在锥阀阀口几何参数和边界条件不变的情况 浙江工业大学硕士学位论文下，对不同开度时阀口的压力分布进行了仿真计算。结果显示开度小时，出现了较大的低压区，随着开度的增大低压区仍然存在，但是相较于小开度时区域明显变小，为预测阀口产生气穴的区域以及锥阀的设计计算提供了理论指导。冀卫东等【1 2 】利用c f d 软件f l u e m 对内流式液压锥阀内部流场进行仿真分析，得到不同开度时阀内流场的压力分布图，然后对阀芯的受力面进行压力积分获得液动力，进一步观察内流式锥阀液动力的大小和方向，为内流式液压锥阀的优化设计提供参考。石金艳等【”】采用c f d 方法对锥阀阀腔内的流场进行数值模拟，比较分析不同开度下的流量系数与液动力值。指出在小开度时，流量系数随阀口开度的增大而减小；当开口较大时，随着阀口开度的继续增大，流量系数基本保持不变；而液动力则是随开度的增大而减小。张金海等【1 4 1 研究了一种铰接式单向阀，利用c f d 软件f l u e n t 对进口单向阀开启过程中的流场进行了数值模拟，得到了不同开度下阀板前后流场压力分布及速度分布。b o r g h i 等【l5 】利用c f d 数值模拟方法对安全阀处于不同开度时的阀内流场进行了仿真分析。获得了阀固定开度为0 4 、0 7 、1 0 、1 2 m m 时的压力和速度分布图，并且通过对阀芯表明的压力进行积分计算得到了阀的稳态液动力。a m i r a n t e 掣1 6 。7 1 利用c f d 软件f l u e n t 对一种比例阀的性能进行了研究，模拟了不同流道形状对阀性能的影响。分析得到，在阀开度适中以及较大时，通过优化阀芯结构或者内部流道形状，可以减小作用在阀芯上的不平衡液动力；但是对于阀开度较小时，效果并不明显。此外，作者还对一种三位四通方向控制阀进行了模拟，得到了不同开启度下流场内的速度分布以及阀芯上的液动力变化情况。并与实验数据进行比较，验证了c f d 模拟的准确性，为泵阀的设计提供了可靠的依据。m o k h t a n a d e h d e h g h a n 等【1 8 】用有限元方法对一液压安全阀进行了研究，阀内介质为油液，流动处于层流状况。仿照实验结构建立模型用来获得阀在恒定条件下的性能特点。通过模拟获得了阀在恒定进口压力条件下，不同的阀盘升程时阀内的速度和压力分布以及阀盘上作用的液动力的大小。并与实验数据进行对照，发现具有很高的精确度，对于阀的设计计算具有很大的指导意义。不同边界条件泵阀不同边界条件下的研究主要包括不同的进、出口压力，不同的进口流量或者是不同的进口速度。雷红霞等【1 9 】运用c f d 分析软件f l u e n t ，以实际液压锥阀为模型，对阀在不同流量 第1 苹绪论下，阀内流体的流动特性进行了三维仿真计算，并对计算结果进行了进一步分析。在同一开度下，漩涡区的大小随进口速度的增大而增大，能量损失和噪声也随之曾大。通过对阀的流量系数、阀芯表面压力分布、液动力的计算，表明仿真计算结果与理论计算结果基本吻合，为锥阀的优化设计提供了依据。唐兵等【2 0 】应用f l u e n t 软件，对大雷诺数下锥阀的内部流场进行数值模拟，着重研究阀的进口压力、出口压力对锥阀流场的影响。研究结果表明：随着进口压力的升高，低压区面积逐渐扩大，且压力值逐渐下降，产生气穴的区域也随之扩大；而随着出口压力的增大，低压区的压力值逐渐增大，产生气穴的区域逐渐缩小，对气穴的产生和发展有一定的抑制作用。何卫卫掣2 1 】通过建立锥阀的几何模型和数学模型，利用f l u e n t 软件对其内部流场进行了c f d 解析，获得了不同进出口压力下的流场速度分布和压力分布，对计算结果进行分析得到：出口压力保持不变，随着入口压力增大，阀腔内负压区增大，增大出口压力则有助于减小负压、消除气蚀、提高阀的工作性能。彭奠等【2 2 】利用c o s m o s f 1 0 w b r k s 流体分析软件模拟得到了不同流量下球阀内流场的压力分布，根据仿真计算得到的阀两端压力差，对不同流量下球阀的流量系数进行分析计算，提出了一种较为简单的泵阀流量系数的计算方法。r a m m o h a n 等【2 3 】利用f l u e n t 软件对一截止式控制阀内部流场进行了三维仿真分析，分别研究了三种不同压力下阀内流场的汽蚀情况。根据仿真结构得到：随着压力的增大汽蚀现象越发明显，汽蚀发生的区域不断扩大。并且将仿真结果与实验结果进行了比较分析，验证了c f d 模拟的准确性，指出使用该方法可以避免进行试验研究。l i n d a 等【2 4 】利用c f d 分析软件对一种英式锥阀的内部流场进行了模拟和分析，分别在五种不同入口质量流率下对阀内流场进行研究，得到了速度和压力的分布图。根据仿真结果得到，随着入口质量流率的增大，锥阀的进出口压降增大；并将模拟得到的结果和试验结构进行比较，发现随着流量的增大误差增大。不同流道形状随着泵阀研究工作的深入，有关学者展开了对于不同流道结构下阀内流场的研究，分析了流道形状变化对于阀内流场的影响。杨国安等【2 5 】针对钻井泵阀存在冲蚀磨损严重的问题，利用f l u e n t 软件对阀隙内流场进行了数值模拟，得出当阀盘下底面直径一定时，阀盘锥角的增加可以使阀隙流场流速减小，进而可以有效改善泵阀密封圈的磨损状态，从而提高泵阀的使用寿命。4 浙江工业大学硕士学位论文 邓春晓等【2 6 】通过对液压锥阀进行三维有限元分析，掌握锥阀阀腔内流场速度分布及 压力场分布情况，并根据计算结果，对锥阀阀芯结构进行了优化设计，降低了压力损失， 提高了阀的性能。 王艳珍等口7 1 应用c f d 方法对水压锥阀流场进行仿真分析，模拟得到可视的速度场 和压力场分布，根据解析结果对阀芯结构进行优化，将阀芯锥面与柱面直接相接改为圆 弧过渡的结构，优化后能量耗散、压力损失和阀内最小负压值明显减小，同时阀芯所受 轴向液动力也明显减小。 高广德等【2 8 1 采用f l u e n t 软件对两种不同锥角的水压锥阀三维流场进行了数值模拟 分析，结果显示：进口速度相同时，4 5 。锥阀的最小静压力和最大湍动能都要比3 0 。锥 阀小；对于同一锥阀，最小静压值随着出口压力的增大而增大，4 5 。锥阀的最小静压力 始终比3 0 。锥阀大，而最大湍动能的变化很小。 李辉等【2 9 】采用c f d 方法对液压锥阀阀腔内的流场进行了仿真计算，分析锥阀不同 流道结构对阀性能的影响，模拟得n t 不同阀芯锥角和阀芯直径下的流量系数与液动力 值，得出最佳设计方案。 朱万胜等【3 0 】应用c f d 方法对钻井液锥阀内部流场进行数值模拟，研究了阀内流道 结构变化对锥阀流场的影响，结果显示：随着阀芯半锥角的增大，阀内流场最低压力值 先减小后增大；阀芯采用圆弧过渡结构，可以有效抑制气穴的产生；在阀座处倒角，可 以降低能量损失，提高密封可靠性，但必须对倒角长度进行控制。 p a l a u s a l v a d o r 等【3 1 】采用c f d 方法对一复杂的调节阀进行了仿真研究，分析了不同开 度下的阀内流场压力分布，并与实验数据进行了对比。而且对阀芯和阀腔内的流道结构 进行了优化，对优化前后阀处于不同开度下的流量系数进行了对比。结果表明，阀芯结 构优化可以提高流量系数。 d a v i s 和s t e w a r t 3 2 】利用c f d 方法对一截止调节阀的阀内流场进行了数值模拟和分 析，对阀的二维轴对称模型进行研究。对于三种不同结构的阀在不同开度下的流量系数 进行了仿真分析，根据结果得到：三种不同结构阀在不同开度下的流量系数总体变化趋 势相同，都是随着开度的增大而增大，但具体变化快慢有所不同。 不同阀芯运动速度 除了对泵阀定常状态下的流场特性进行分析外，一些学者还对泵阀非定常状态下的 流场进行了研究，以了解阀芯运动过程中流场的变化情况。 石娟等【3 3 】运用c f d 方法对调节阀内流场进行了非定常数值模拟，仿真计算得到了 第1 章绪论阀在开启和关闭过程中流量和阀芯轴向液动力随时间的变化曲线，并对不同启闭速度下的流场进行了研究。郑淑娟掣3 4 。3 6 1 应用c a d 软件建立锥阀内流场的三维几何模型，采用动网格技术，对阀芯处于静止和运动两种状态时阀内的流场进行了数值模拟和可视化研究。该研究利用u d f 功能确定阀芯不同的运动速度，获得了阀芯开启、关闭过程中受到的瞬态液动力、流量系数与通过阀流量、阀芯开启高度之间的定量关系。s o n g 等 3 7 1 对弹簧安全阀的动态特性进行了研究，并利用c f d 方法对介质水过流时的阀内湍流流场进行了二维动态仿真分析。得到了不同时刻阀内流场的速度和压力分布；3 种不同压力工况下，阀盘的位移随时间的变化关系；3 种不同压力下，各时刻阀盘4 个不同表面上的受力以及总作用力。不同弹簧作用力另外，弹簧作为泵阀中最易损坏的元件之一，对于泵阀的运行性能有着重要的影响，因此有关学者也对此进行了研究。谭英杰等【3 8 】根据自主设计研发的往复泵泵阀性能试验台，对不同刚度的弹簧进行了一系列试验，并对试验结果进行了进一步的对比和分析，得到了有关弹簧刚度对泵阀性能影响的重要结论。常玉连等【3 9 1 利用f l u e n t 软件中的u d f 自定义函数及动网格技术，分析了弹簧劲度系数对单向阀开启过程的影响，结果表明：随着弹簧劲度系数的增大，开启过程中阀芯最大位移和平衡位置位移逐渐减小，阀芯达到最大位移处及平衡位置处所用的时间也逐渐减小；稳定时阀进出口压差随着弹簧劲度系数的增加线性递增。1 2 2 气液两相工况通过上述研究所建立的相关理论并不完整，只适合于介质为单相液体的情况；对于油气两相介质，特别是当介质含气比很高时，这些已建立的理论并不完全适用。因此，当往复式油气混输泵进行油气混输时，对于泵阀的工作特性还不了解，有关油气两相工况下往复泵阀内流场的相关研究还未见报导。因此，本课题为解决油气混输难题，将开展气液两相工况下往复泵立式单向组合阀的研究。为往复式油气混输泵组合阀设计提供理论依据和技术支撑。6 浙江工业大学硕士学位论文1 3 研究目标及研究内容1 3 1 研究目标本课题针对组合阀在工程应用中存在问题，对其在气液两相工况下的工作特性进行仿真分析，为往复式油气混输泵组合阀设计提供参考。本课题主要的研究目标：( 1 ) 利用c f d 软件f l u e n t 对组合阀内部的三维流场进行稳态数值模拟，仿真计算不同气液比、不同恒定开启高度下阀内流场的速度分布、压力分布和阀流量系数。( 2 ) 应用f l u e n t 软件对往复式油气混输泵组合阀的启闭过程进行非定常数值模拟，得到组合阀开启、关闭过程中阀芯表面压力分布、阀隙流速、瞬态液动力、阀芯总作用力与介质气液比、阀开启高度之间的定量关系。( 3 ) 通过理论分析，推导出往复式油气混输泵组合阀滞后角的理论公式，分析不同气液比、不同吸入压力、不同排出压力对滞后角的影响。基于c f d 数值模拟技术，将理论结果与模拟结果进行比较，验证了组合阀滞后角理论公式的准确性，为组合阀优化设计提供理论参考。( 4 ) 通过理论分析，推导得出往复式油气混输泵输入功率的理论公式，分析不同吸入压力、不同排出压力、不同气液比对输入功率的影响。1 3 2 研究内容本课题主要研究内容：( 1 ) 利用p r o e 软件建立不同开启高度时组合阀流场的三维几何模型，应用c f d软件f l u e n t 研究介质不同气液比、阀芯不同最大开启高度对组合阀工作特性的影响，对六组介质气液比( 见表1 1 ) 、五组最大开启高度( 3 m m 、4 m m 、5 m m 、6 m m 、7 r a m )进行稳态分析，仿真计算气液比、最大开度共同作用下阀内流场的速度分布、压力分布和组合阀流量系数。 第1 章绪论图1 1组合阀结构图表1 1 介质气液比( 2 ) 利用f l u e n t 软件对液力端组合阀排出行程时的内部流场进行可视化计算和分析研究。应用动网格技术以及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非定常数值仿真。得到组合阀开启、关闭过程中阀芯表面压力分布、阀隙流速、瞬态液动力、阀芯总作用力与介质气液比、阀开启高度之间的定量关系，研究过程中选择介质气液比为0 、0 2 、0 4 、0 6 、o 8 和1 0 六组进行分析。( 3 ) 通过分析阀芯受力和气液两相介质的内压缩过程，结合实际组合阀的结构和相关工作参数，推导出往复式油气混输泵组合阀滞后角的理论公式，得到4 组不同吸入压力( 0 2 、0 3 、o 4 、0 5 m p a ) 、3 组不同排出压力( 1 2 、1 8 、2 4 m p a ) 、6 组不同气液比下组合阀的滞后角，分析其变化规律。利用f l u e n t 软件中的动网格技术，对不同吸入压力、不同排出压力、不同气液比下的组合阀滞后角进行数值模拟，将模拟结果与理论计算结果进行对比，验证组合阀滞后角理论计算公式的准确性，为组合阀优化设计提供理论参考。( 4 ) 通过分析往复式油气混输泵工作原理，结合组合阀排出阀芯开启压力平衡方程和油气两相绝热内压缩过程方程，推导出输入功率的理论公式，分析不同吸入压力、不同排出压力、不同气液比对输入功率的影响。 浙江工业大学硕士学位论文pp 2p lp 0v图1 2 往复式油气混输泵完成一个工作循环的功耗上图封闭循环所包围的面积就是泵完成一个工作循环所消耗的外功，而面积除以往复泵完成一个循环所需的时间就得到了泵的输入功率。当介质气液比、吸入压力、排出压力不同时，封闭循环所包围的面积不同。因此，可以通过比较包围面积变化来分析吸入压力、排出压力、气液比对输入功率的影响。选取吸入压力只分别为o 2 、0 3 、o 4和0 s m p a 四组，排出压力只分别为1 4 、1 6 、1 8 和2 o m p a 四组，介质初始气液比分别为0 、0