[01479646]油水环状流在阀门开启过程中的稳定性研究

本成果主要对转动球阀下的油水环状流进行系统研究,通过理论推导、性能实验、数值模拟三种研究手段着重分析转动球阀时对油水环状流稳定性的影响机理。此外,借助高效的仿真技术对球阀-管道-油水环状流进行流固耦合分析,有效揭示有流固耦合作用的环状流流场规律。得到如下结论： 1、从理论角度分析球阀对油水环状流的影响,基于把Goldstein所建立斜管中偏心油水环状流的数学模型应用到球阀油水环状流基本流方程、进而得到在特定开度（50%）的球阀下油水两相的速度分布,压降梯度及剪切应力的解析模型。 2、搭建装配有透明管件、球阀的油水环状集输实验平台,通过实验观察记录了三种球阀开启速度的流型数据及阀门前后的压差数据,初步揭示了球阀下的油水环状流的演变规律。实验结果表明,球阀开启速度越大,环状流波动越明显,同时阀门前后压差也越大。开启速度较小时,由于实验管路较为粗糙,导致大量油滴粘附在管壁面,容易形成偏心环状流。通过对比模拟结果及实验结果,两者吻合良好说明数值模拟可以实现对转动球阀下的油水环状流流场特性进行研究。 3、采用滑移网格模型及VOF多相流模型对油水环状流场在开启球阀下的流变状态进行动态模拟分析,结果表明：油水两相流经球阀的流变过程大致可分为三个阶段：环状流破碎阶段、环状流发展阶段、环状流稳定阶段。 4、研究了阀门启动转速、液环厚度对阀后流场中的相含率分布、速度分布、压力分布、湍动能、射流结构、粘壁距离的影响规律,结果表明：较大的开启速度可加速油水环状流型恢复,但增加流场流速、管内压力波动,环状流稳定性较差。此外,对比不同开度的射流特性,开度越小,射流的动能变化越大,油水环状流越容易破裂。综合分析,加快阀门开启速度有利于油水环状流型的重构,但不利于环状流的稳定发展。 液环厚度对环状流的稳定性影响较大,阀后紊动能及相含率均随着水环厚度的减少而增大,水环厚度为1mm和1.5mm的粘壁现象显著,同时强化了核心油流波动。因此,仅当较厚的水环层能提高环状流稳定性流动,加快油水两相流从分离破碎形态向环状流流型发展。 5、研究了阀门在两相流动的流阻特性,结果表明,流量系数随着阀门开度的增加而增加,阻力系数随着阀门开度的增加而减少。较大阀门开度所表现的良好流通性能有利于油水两相稳定输出。 6、研究了关阀转速对阀前后流场中的相含率分布、速度分布、压力分布、水击压的影响规律,结果表明, 阀开度小于30%时,油水环状流的维稳性较好。急速关阀的水击压强最大。在环状流流动实验中,应尽量延长关阀时间,以减少水击现象产生带来的有害现象,有效提高油水环状流关阀过程中的维稳特性。 7、基于VOF多相流模型及流固耦合模型对管道-球阀-油水环状流进行模拟分析,采用双向流固耦合模型,揭示有流固耦合作用的油水环状流的流场特性规律。结果表明,有耦合模型与非耦合模型的油水环状流流场特性变化规律基本保持一致。因此在计算精确度得到有效保证及计算资源有限的情况下,油水环状流的稳定性分析可采用单向耦合方式进行求解。 本成果的创新点如下： （1） 阀门开启过程油水两相射流与漩涡演变规律的研究,在目前涉及到球阀的研究领域,多以单相流作为研究对象,较少采用多相流体。本成果的研究对象为液-液两相,能为复杂的球阀流场研究提供重要参考。 （2） 阀门开启过程环状流的失稳机理研究,目前的油水环状流研究着重于在改变流动介质物性或添加颗粒等对其稳定性进行分析。较少考虑管路中的辅助元件的影响。本成果以管道结构、阀门结构作为扰动因素对油水环状流的稳定性进行分析研究。 （3） 复杂边界条件下油水界面扰动的影响机制研究,由于流体的非定常流动对管壁产生多种影响,而管壁也反过来会影响流场。因而,本成果采用流固耦合方法对考虑壁面影响的油水环状流进行模拟分析。