Al corriente jul 29, 2022
Flujo medio en válvulas de bola resistentes al desgaste de alta temperatura
El válvula de bola Es ampliamente utilizado en varios sistemas de transmisión de energía como un componente regulador para controlar el caudal y hacer y romper el sistema de tuberías. Cuando la válvula de bola se aplica a las duras condiciones de alta temperatura y alta presión en el medio de flujo de tuberías que contiene partículas de catalizador, las partículas de catalizador en el medio tendrán un impacto muy importante en el rendimiento general de la válvula de bola, y el rendimiento de la válvula de bola afectará directamente la confiabilidad y seguridad del sistema de transporte. En la investigación anterior, el autor presentó un tipo de válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas, y se ha utilizado ampliamente en condiciones de trabajo duras que contienen partículas de catalizador sólido como transporte neumático e hidrogenación de residuos de lecho fluidizado. Este documento estudiará más a fondo este tipo de válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas.
Modelo físico y método de simulación numérica
1. Modelo físico
La válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas utilizada en esta investigación es desarrollada de forma independiente por los diseñadores de válvulas de Zhejiang Petroquímica Valve Co., Ltd., y su estructura tridimensional se muestra en la Figura 1. La válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas incluye principalmente un cuerpo de válvula, tapa de válvula, vástago de válvula, soporte, bola y otras estructuras.
Figura 1 Diagrama de estructura tridimensional de la válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas
1. vástago de válvula 2. soporte 3. tapa de válvula 4. bola 5. cuerpo de válvula
Al extraer el paso de flujo dentro de la válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas, se obtiene el área de flujo del medio de aceite residual dentro de la válvula de bola resistente al desgaste y la tubería, y se utiliza como dominio de cálculo de este estudio de simulación numérica. La figura 2 muestra el diagrama esquemático del paso de flujo interno de la válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas al 50% de apertura. El canal interno se divide principalmente en tres partes: el área de la tubería aguas arriba, el área de la cavidad de la válvula de bola resistente al desgaste y el área de la tubería aguas abajo. Tanto el área de la tubería aguas arriba como el área de la tubería aguas abajo se extienden a una distancia de 10 veces el diámetro de la tubería, para garantizar que el medio de aceite residual y las partículas de catalizador en el cálculo puedan desarrollarse completamente.
Figura 2 Diagrama esquemático del paso de flujo interno de la válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas con 50% de apertura
2. Método de simulación numérica
En este trabajo, se utiliza el método de Euler-Lagrange para calcular el acoplamiento entre el medio residual y las partículas del catalizador. El campo de flujo de residuos se resuelve mediante la ecuación incompresible de Navier-Stokes, y la interacción entre fluido y partículas se agrega a la ecuación de momento. El modelo de k-épsilon realizable se utiliza para resolver el flujo turbulento. La ecuación gobernante de la fase continua es la siguiente.
Donde V es la velocidad del medio oleoso residual, ρ es la viscosidad del medio oleoso residual, P es la presión, ❌ es el tensor de tensión, G es la gravedad y FD es la resistencia a la fricción de las partículas. La ecuación de movimiento del catalizador se resuelve mediante la segunda ley de Newton, y no se consideran la fuerza de gradiente de presión, la fuerza de masa virtual, la fuerza de Magnus y la fuerza de cizallamiento viscosa del catalizador sólido. Por lo tanto, la resistencia a la fricción y la gravedad del fluido a las partículas se utilizan principalmente para predecir el movimiento de las partículas. Según la investigación de Clift et al., la ecuación de movimiento de las partículas se puede escribir como:
Dónde
Representa la gravedad de las partículas. La resistencia a los medicamentos es la fuerza más importante del gas que actúa sobre las partículas, que se define como:
Donde Cd es el coeficiente de resistencia, y su fórmula está dada por Morsi y Alexander.
En el proceso de movimiento, las partículas colisionarán con la pared y repuntarán, lo que hará que las partículas pierdan algo de energía cinética. Por lo tanto, la fórmula propuesta por Grant et al. se usa para resolver la velocidad después de que las partículas colisionan con la pared, y el coeficiente de recuperación normal en y el coeficiente de recuperación tangencial ET se usan para reflejar el cambio de velocidad tangencial y normal después de que las partículas colisionan con la pared:
En este estudio, la velocidad de entrada de las partículas de residuo y catalizador es de 5 m/s, y el medio de residuo es el residuo atmosférico de Tahe con una densidad de 1018,7 kg/m3 y una viscosidad de 0.008 262 kg/m-s; Las partículas de catalizador son partículas esféricas soportadas por Al2O3, con un diámetro de 200μm y una densidad de 3 650 kg/m3.
Discusión de resultados
1. Verificación de la independencia de la red
El dominio computacional mostrado en la Figura 2 está dividido por cuadrículas tetraédricas no estructuradas, y se obtienen cinco conjuntos de cuadrículas con diferentes números: 800.000, 1 millón, 1,2 millones, 1,6 millones y 2,2 millones. Cuando la válvula de bola resistente al desgaste está 100% abierta, se calculan cinco conjuntos de rejillas y se obtiene la velocidad de flujo promedio en tres dominios de cálculo. A través de la comparación, se puede encontrar que cuando el número de cuadrículas excede 1,2 millones, la correlación entre los resultados del cálculo y el número de cuadrículas es muy pequeña. Por lo tanto, este documento utiliza 2,2 millones de cuadrículas para el cálculo.
2. análisis de flujo de aceite residual
3. distribución de partículas cerca de la válvula de bola
4. análisis de velocidad y movimiento de partículas cerca de la válvula de bola resistente al desgaste.
Figura 3 Diagrama vectorial de velocidad de las partículas de catalizador cuando la apertura relativa de la válvula de bola resistente al desgaste es del 100% y 75%.
Conclusión
Para explorar el flujo del medio de aceite residual y el movimiento de partículas de catalizador en una válvula de bola resistente al desgaste a alta temperatura, este documento adopta el método Euler-Lagrange para estudiar el flujo del medio de aceite residual que contiene partículas de catalizador en una válvula de bola resistente al desgaste a alta temperatura. Se encuentra que cuando la válvula de bola resistente al desgaste está completamente abierta, la velocidad del aceite residual y la velocidad de las partículas en el medio de la tubería son más altas que las cercanas a la pared. Cuando la abertura es pequeña, la velocidad del aceite residual y la velocidad de las partículas en la cavidad de la válvula son muy bajas, y la diferencia de presión entre la parte frontal y posterior de la válvula de bola también es muy grande. En el área con alta velocidad de aceite residual, el número de partículas será muy grande; Algunas partículas en el núcleo de la válvula, la cavidad de la válvula y la tubería mostrarán las características del flujo circulante, y la velocidad de las partículas circulantes es relativamente baja.
Modelo físico y método de simulación numérica
1. Modelo físico
La válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas utilizada en esta investigación es desarrollada de forma independiente por los diseñadores de válvulas de Zhejiang Petroquímica Valve Co., Ltd., y su estructura tridimensional se muestra en la Figura 1. La válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas incluye principalmente un cuerpo de válvula, tapa de válvula, vástago de válvula, soporte, bola y otras estructuras.
Figura 1 Diagrama de estructura tridimensional de la válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas
1. vástago de válvula 2. soporte 3. tapa de válvula 4. bola 5. cuerpo de válvula
Al extraer el paso de flujo dentro de la válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas, se obtiene el área de flujo del medio de aceite residual dentro de la válvula de bola resistente al desgaste y la tubería, y se utiliza como dominio de cálculo de este estudio de simulación numérica. La figura 2 muestra el diagrama esquemático del paso de flujo interno de la válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas al 50% de apertura. El canal interno se divide principalmente en tres partes: el área de la tubería aguas arriba, el área de la cavidad de la válvula de bola resistente al desgaste y el área de la tubería aguas abajo. Tanto el área de la tubería aguas arriba como el área de la tubería aguas abajo se extienden a una distancia de 10 veces el diámetro de la tubería, para garantizar que el medio de aceite residual y las partículas de catalizador en el cálculo puedan desarrollarse completamente.
Figura 2 Diagrama esquemático del paso de flujo interno de la válvula de bola resistente al desgaste a altas temperaturas con 50% de apertura
2. Método de simulación numérica
En este trabajo, se utiliza el método de Euler-Lagrange para calcular el acoplamiento entre el medio residual y las partículas del catalizador. El campo de flujo de residuos se resuelve mediante la ecuación incompresible de Navier-Stokes, y la interacción entre fluido y partículas se agrega a la ecuación de momento. El modelo de k-épsilon realizable se utiliza para resolver el flujo turbulento. La ecuación gobernante de la fase continua es la siguiente.
Donde V es la velocidad del medio oleoso residual, ρ es la viscosidad del medio oleoso residual, P es la presión, ❌ es el tensor de tensión, G es la gravedad y FD es la resistencia a la fricción de las partículas. La ecuación de movimiento del catalizador se resuelve mediante la segunda ley de Newton, y no se consideran la fuerza de gradiente de presión, la fuerza de masa virtual, la fuerza de Magnus y la fuerza de cizallamiento viscosa del catalizador sólido. Por lo tanto, la resistencia a la fricción y la gravedad del fluido a las partículas se utilizan principalmente para predecir el movimiento de las partículas. Según la investigación de Clift et al., la ecuación de movimiento de las partículas se puede escribir como:
Dónde
Representa la gravedad de las partículas. La resistencia a los medicamentos es la fuerza más importante del gas que actúa sobre las partículas, que se define como:Donde Cd es el coeficiente de resistencia, y su fórmula está dada por Morsi y Alexander.
En el proceso de movimiento, las partículas colisionarán con la pared y repuntarán, lo que hará que las partículas pierdan algo de energía cinética. Por lo tanto, la fórmula propuesta por Grant et al. se usa para resolver la velocidad después de que las partículas colisionan con la pared, y el coeficiente de recuperación normal en y el coeficiente de recuperación tangencial ET se usan para reflejar el cambio de velocidad tangencial y normal después de que las partículas colisionan con la pared:
En este estudio, la velocidad de entrada de las partículas de residuo y catalizador es de 5 m/s, y el medio de residuo es el residuo atmosférico de Tahe con una densidad de 1018,7 kg/m3 y una viscosidad de 0.008 262 kg/m-s; Las partículas de catalizador son partículas esféricas soportadas por Al2O3, con un diámetro de 200μm y una densidad de 3 650 kg/m3.
Discusión de resultados
1. Verificación de la independencia de la red
El dominio computacional mostrado en la Figura 2 está dividido por cuadrículas tetraédricas no estructuradas, y se obtienen cinco conjuntos de cuadrículas con diferentes números: 800.000, 1 millón, 1,2 millones, 1,6 millones y 2,2 millones. Cuando la válvula de bola resistente al desgaste está 100% abierta, se calculan cinco conjuntos de rejillas y se obtiene la velocidad de flujo promedio en tres dominios de cálculo. A través de la comparación, se puede encontrar que cuando el número de cuadrículas excede 1,2 millones, la correlación entre los resultados del cálculo y el número de cuadrículas es muy pequeña. Por lo tanto, este documento utiliza 2,2 millones de cuadrículas para el cálculo.
2. análisis de flujo de aceite residual
3. distribución de partículas cerca de la válvula de bola
4. análisis de velocidad y movimiento de partículas cerca de la válvula de bola resistente al desgaste.
Figura 3 Diagrama vectorial de velocidad de las partículas de catalizador cuando la apertura relativa de la válvula de bola resistente al desgaste es del 100% y 75%.
Conclusión
Para explorar el flujo del medio de aceite residual y el movimiento de partículas de catalizador en una válvula de bola resistente al desgaste a alta temperatura, este documento adopta el método Euler-Lagrange para estudiar el flujo del medio de aceite residual que contiene partículas de catalizador en una válvula de bola resistente al desgaste a alta temperatura. Se encuentra que cuando la válvula de bola resistente al desgaste está completamente abierta, la velocidad del aceite residual y la velocidad de las partículas en el medio de la tubería son más altas que las cercanas a la pared. Cuando la abertura es pequeña, la velocidad del aceite residual y la velocidad de las partículas en la cavidad de la válvula son muy bajas, y la diferencia de presión entre la parte frontal y posterior de la válvula de bola también es muy grande. En el área con alta velocidad de aceite residual, el número de partículas será muy grande; Algunas partículas en el núcleo de la válvula, la cavidad de la válvula y la tubería mostrarán las características del flujo circulante, y la velocidad de las partículas circulantes es relativamente baja.
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