转子式油气混输泵出口单向阀特性分析与研究

摘要

油气混输是油田开采的先进工艺之一，该工艺对于提高我国石油开采水平，降低工程投资和油气开采成本，增产原油，回收天然气，保护环境等具有重要意义。
　　 转子式油气混输泵是实现油气混输工艺的关键设备，该泵在出口增设了一组单向球阀，具有内压缩功能和良好的性能。鉴于目前尚无转子式油气混输泵的设计理论与技术报道，本文以转子式油气混输泵出口球阀为研究对象，分别对球阀滞后角、运动微分方程、阀内流场等进行理论分析与数值模拟，初步得到了该阀的工作特性。为该泵球阀的进一步分析及优化设计提供了技术支撑。本文的主要研究工作和成果如下:
　　 1.建立了求解滞后角的关系式。本文通过分析影响滞后角的因素，利用几何学与工程热力学理论，推导并建立了求解滞后角的公式。以该式为基础，分析了气液比对滞后角的影响，进而得到滞后角与气液比成正比例关系，比例系数由泵的转子尺寸、球阀尺寸、阀球密度、泵进出口压力及气体介质的比热比确定的结论。同时分析了压缩比对滞后角的影响。由分析可知:适当降低该泵的压缩比可减小气液比对滞后角影响。以上结论为减小转子式油气混输泵出口球阀滞后角提供了参考。
　　 2.推导了转子泵耗功量的计算式。借助工程热力学理论分析并推导了转子泵耗功量的计算式。以该式为基础，分析了转子式油气混输泵压缩过程的耗功量，得到了不同压缩比对泵耗功量的影响，为该泵压缩比的合理选择提供了理论依据。
　　 3.建立了球阀运动微分方程。根据转子式油气混输泵的工作原理，借助往复泵球阀理论，推导了该泵出口单向球阀在纯液工况下的运动微分方程。并进行了实例分析，利用MATLAB软件得到了阀球的升程曲线和速度曲线，为分析球阀在气液两相复杂工况下的运动特性提供基础。
　　 4.对球阀内部流场时行了数值模拟。应用CFD软件对该泵阀内的流场进行了数值模拟，得到了稳态流动条件下球阀内部压力场、速度场及气液相态分布规律，分析了不同开启高度与不同气液比对阀隙流速的影响。并且进一步，对阀内非定常流场进行了动态模拟，得到不同材质阀球的瞬时所受液动力变化曲线，为今后分析更复杂的气液两相工况下不同材质阀球受力提供了基础。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 油气混输泵概述

1．2 转子式油气混输泵及其出口单向阀概述

1．2．1 转子式油气混输泵工作原理及特点

1．2．2 球阀的特点及泵阀的研究现状

1．3 本文的研究目标及研究内容

1．3．1 研究对象

1．3．2 研究目标

1．3．3 研究内容

第2章 球阀滞后角的计算与分析

2．1 气液比对该泵球阀滞后角的影响

2．1．1 气液比与滞后角关系式的建立

2．1．2 实例计算与分析

2．2 阀球密度对该泵球阀滞后角的影响

2．2．1 阀球材质介绍

2．2．2 不同阀球密度出口球阀的滞后角

2．3 小结

第3章 不同压缩比对泵耗功量的影响

3．1 无出口球阀的转子式活塞泵

3．1．1 工作原理

3．1．2 输送气体介质时的特点

3．2 新型转子式油气混输泵

3．2．1 新型转子式油气混输泵压缩过程耗功量

3．2．2 举例分析

3．3 小结

第4章 转子泵出口单向阀运动规律的数学模型

4．1 球阀运动规律的数学模型

4．1．1 球阀动力学微分方程的建立

4．1．2 液缸内液体连续流方程

4．1．3 球阀运动初始条件

4．1．4 球阀运动规律的数学模型

4．2 实例计算

4．2．1 阀球材质为聚甲醛

4．2．2 阀球材质为陶瓷

4．2．3 阀球材质为钢

4．3 结果分析

4．4 小结

第5章 转子泵出口球阀内流场稳态模拟及分析

5．1 CFD概述

5．2 三维模型建立与网格划分

5．2．1 Pro／E三维建模软件简介

5．2．2 出口球阀流体域实体建模

5．2．3 网格划分

5．3 数学模型的建立与描述

5．3．1 流体动力学控制方程

5．3．2 湍流模型

5．3．3 多相流模型

5．3．4 边界条件

5．3．5 控制方程的离散

5．3．6 压力修正算法

5．4 数值模拟结果及分析

5．4．1 阀内压力场分布比较

5．4．2 阀内速度场分布比较

5．4．3 阀内相态分布分析

5．5 小结

第6章 基于CFD的泵出口球阀动态模拟

6．1 球阀动态模拟前处理

6．1．1 几何模型与网格划分

6．1．2 计算模型的选择与操作环境的设置

6．1．3 边界条件的设置

6．1．4 动网格相关参数的设置

6．2 模拟结果与分析

6．2．1 球阀内流场的压力分布

6．2．2 阀球受力分析

6．3 小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 本论文创新点

7．3 展望

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果