吴怀敏，项光洪，王忠渊，Yuchong Dai，杨青锋，项力胜，项良海，罗建康

（1.浙江石化阀门有限公司，浙江 温州 325025；2.University of Ottawa, Ottawa 999040）

1 概述

球阀作为用来完成流量控制以及管道系统通断的调节部件，被广泛应用于各种能源输送系统中。当球阀被应用于管道流动介质中含有催化剂颗粒的高温高压严苛情况时，介质中的催化剂颗粒会对球阀的整体性能产生非常重要的影响，而球阀的性能更是将直接关系到输送系统的可靠性和安全性。本文作者在之前的研究中介绍了一种高温耐磨球阀[1]，并且已经被广泛应用于气力输送、沸腾床渣油加氢等含有固体催化剂颗粒的严苛工况中。本文将对这种高温耐磨球阀进行进一步的研究。

2 物理模型和数值模拟方法

2.1 物理模型

本研究所采用的高温耐磨球阀由浙江石化阀门有限公司的阀门设计人员自主研发，其三维结构如图1所示。高温耐磨球阀主要包括阀体、阀盖、阀杆、支架以及球体等结构。

图1 高温耐磨球阀三维结构示意图

通过对高温耐磨球阀内部的流道进行提取，得到了渣油介质在耐磨球阀以及管道内部的流动区域，并将其作为本次数值模拟研究的计算域。图2为高温耐磨球阀在50%开度工况下的内部流道示意图。内部流道主要被分为上游管道区域、耐磨球阀阀腔区域以及下游管道区域三大部分。上游管道区域和下游管道区域都延伸至管道直径的10倍距离，以保证计算中的渣油介质和催化剂颗粒能够充分发展。

图2 高温耐磨球阀50%开度时内部流道示意图

2.2 数值模拟方法

本文采用欧拉-拉格朗日方法对渣油介质和催化剂颗粒进行耦合计算，渣油流场通过不可压缩Navier-Stokes方程进行求解，并在动量方程中加入了流体与颗粒之间的相互作用力项，采用Realizable k-epsilon模型求解湍流流动。连续相的控制方程如下。

其中，V为渣油介质的速度，ρ为渣油介质的黏度，P为压力，τ为应力张量，g为重力，FD为颗粒的拖曳阻力。催化剂颗粒的运动方程使用牛顿第二定律来求解，并且不考虑固体颗粒催化剂的压力梯度力、虚拟质量力、马格努斯力、黏性剪切力等，因此主要使用流体对颗粒的拖曳阻力和重力来预测颗粒的运动。根据Clift等[2]的研究，颗粒的运动方程可以写成：

式中，Cd为阻力系数，其公式由Morsi 和 Alexander[3]给出。

颗粒在运动过程中还会与壁面发生碰撞反弹，导致颗粒损失一部分动能。因此，采用Grant等[4]提出的公式对颗粒与壁面碰撞后的速度进行求解，用法向恢复系数en和切向恢复系数et来反映粒子碰撞壁面后切向和法向速度的变化：

在本文的研究中，设置渣油和催化剂颗粒的进口速度均为5 m/s，渣油介质为塔河常压渣油[5]，其密度为1 018.7 kg/m3，黏度为0.008 262 kg/m-s；催化剂颗粒采用Al2O3为载体的球形颗粒[6]，其直径为200µm，密度为3 650 kg/m3。

3 结果讨论

3.1 网格无关性验证

对图2所示的计算域使用四面体非结构网格进行划分，得到5套不同数量的网格：80万，100万，120万，160万，220万。当耐磨球阀为100%开度时，对5套网格进行计算，得到三部分计算域中的平均流动速度。通过比较可以发现，网格数量超过120万时，计算结果已经与网格数量相关性非常小。因此本文采用220万网格进行计算。

3.2 渣油流动分析

当耐磨球阀相对开度为100%时，管道中的速度比较均匀，但是由于渣油具有非常大的黏性，管道壁面和球阀壁面对渣油的流动产生了比较大的黏滞力，使得管道中间的渣油速度要大于管道壁面上的速度，并且在前阀座与阀盖的配合位置、球体与前阀座以及后阀座的配合位置，渣油的速度会更低。当耐磨球阀的相对开度为75%时，管道中间的渣油速度仍然要比壁面附近速度大，但是在下游管道，管道底部的速度要大于管道上方的速度；在耐磨球阀的球体中间部分，管道下半部分的渣油速度要小于管道上方的渣油速度[7]。当耐磨球阀的相对开度为50%时，渣油已经进入到阀腔中，并且在阀腔中具有非常低的流速；而球阀球体和前阀座之间通流面积的减少，使得渣油在经过球体时形成高速射流，高速射流撞击到阀芯管道的上壁面，并贴合阀芯管道壁面进入到下游管道，在下游管道的上半部分形成了一个非常明显的漩涡。当耐磨球阀的相对开度为25%时，球体和前阀座之间的通流面积进一步减少，阀门的节流效果非常强[8]，使得管道中的高速射流比相对开度为50%时更加明显，高速射流也会紧紧贴近管道的壁面。

耐磨球阀在全开状态下，管道中的相对压力比较小，球体前后位置的压差不是很大。但是随着耐磨球阀开度的减小，上游管道中的压力逐渐增大，下游管道中的压力逐渐减小，球体前后的压差会变得非常大。

3.3 球阀附近的颗粒分布

当耐磨球阀相对开度为100%时，渣油介质中的催化剂颗粒能够非常均匀地分布在管道中。随着耐磨球阀开度的减小，催化剂颗粒在球阀阀芯管道中的高速区域位置的浓度逐渐增加，特别是在耐磨球阀相对开度为50%和25%时，颗粒在渣油高速射流的携带作用下，也会趋向于靠近阀芯壁面的位置分布[9]。还能发现，阀芯中低速区域中的颗粒非常少。当阀腔出现之后，靠近阀芯低速区域的阀腔位置处，颗粒数量也比较少；但是靠近阀芯高速区域的阀腔位置处，颗粒数量会非常多。催化剂颗粒在下游管道中的分布出现了比较极端的现象，即颗粒在下游管道的底部和上部靠近球体位置的浓度非常高。

3.4 耐磨球阀附近颗粒速度和运动分析

图3为耐磨球阀相对开度为100%和75%时催化剂颗粒的速度矢量图。从图中可以看到，当耐磨球阀相对开度为100%时，催化剂颗粒运动方向比较统一，主要沿着管道中的渣油介质流动方向，并且管道中的催化剂颗粒速度要比靠近壁面的颗粒速度高。当耐磨球阀相对开度为75%时，从颗粒的速度矢量图可以推断出，催化剂颗粒在阀芯管道下方和下游管道上方循环流动。催化剂颗粒在下游管道上方的循环流动会更加明显，催化剂颗粒在下游管道的底部也形成了一道高速颗粒流[10]。结合颗粒分布，不难推测，下游管道底部的高浓度分布是由于颗粒跟随渣油高速射流运动形成的，下游管道上部靠近球体位置的高浓度颗粒是由于颗粒的循环运动导致的颗粒积累。还可以非常明显地发现，虽然阀芯管道中的颗粒数量非常少，但也能呈现出循环流动的形式，而催化剂颗粒在阀腔中也具有循环流动的特点。阀芯、阀腔以及管道中的循环流动的颗粒速度都比较低。

图3 耐磨球阀相对开度为100%和75%时催化剂颗粒的速度矢量图

4 结语

为了探究高温耐磨球阀内部的渣油介质流动以及催化剂颗粒运动，本文采用欧拉-拉格朗日方法，针对高温耐磨球阀内部含有催化剂颗粒的渣油介质流动进行了研究。结果发现，当耐磨球阀全开时，管道中间的渣油速度以及颗粒速度都要大于壁面附近的速度；小开度下，阀腔中的渣油速度和颗粒速度都非常低，球阀的前后压差也非常大；渣油速度比较高的区域中，颗粒数量也会非常多；阀芯、阀腔以及管道中的一部分颗粒会表现出循环流动的特点，并且循环流动的颗粒速度都比较低。