張春林

(江蘇華電昆山熱電有限公司，江蘇 昆山 215300)

1 問(wèn)題的提出

天然氣作為一種綠色環(huán)保能源的地位越來(lái)越突出，在天然氣的運(yùn)輸過(guò)程中，天然氣中的水蒸氣容易凝結(jié)成液態(tài)水，當(dāng)天然氣中的酸性氣體硫化氫等溶于水中時(shí)，會(huì)形成酸性溶液腐蝕設(shè)備。在一定壓力和溫度下，天然氣和液態(tài)水形成天然氣水合物，容易堵塞閥門和管線。利用噴管的超音速分離技術(shù)進(jìn)行天然氣脫水是防止酸性溶液和天然氣水合物形成的有效措施，因此，有必要對(duì)天然氣超音速分離流噴管進(jìn)行詳細(xì)研究。通過(guò)分析喉部結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)天然氣超音速的影響，確保噴管在喉部達(dá)到音速，進(jìn)而提高到超音速，利用天然氣和水的物性不同達(dá)到超音速分離的作用。對(duì)該裝置進(jìn)行研究，對(duì)于下游的天然氣節(jié)流降壓、分離脫水等環(huán)節(jié)具有重要意義。

天然氣超音速分離器主要由漩渦發(fā)生器、超音速分離流噴管和擴(kuò)壓器等部分組成。本文對(duì)天然氣超音速分離器的關(guān)鍵部件天然氣超音速分離流噴管進(jìn)行模擬研究，天然氣超音速分離流噴管幾何形狀如圖1所示。按流體流動(dòng)方向，可將天然氣超音速分離流噴管分為入口段、拉伐爾噴管段和出口段3個(gè)部分。拉伐爾噴管段包括收縮段、喉部和擴(kuò)散段。在流體流動(dòng)過(guò)程中，收縮段速度不斷提高，在喉部達(dá)到音速，隨之在擴(kuò)散段繼續(xù)加速，達(dá)到超音速流動(dòng)狀態(tài)(如圖1所示)。

圖1 天然氣超音速噴管幾何形狀

2 數(shù)值模擬方法

2.1 模型建立

噴管內(nèi)天然氣的流動(dòng)區(qū)域作為數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域，建立天然氣超音速分離流噴管模型，三維噴管模型如圖2所示。本文設(shè)置喉部直徑分別為13.0 mm和13.5 mm的2種規(guī)格的噴管，標(biāo)號(hào)分別為A噴管和B噴管，2種噴管除了喉部結(jié)構(gòu)尺寸不同外，其他尺寸相同。

圖2 天然氣超音速分離流噴管模型

2.2 計(jì)算模型控制方程

通過(guò)求解Navier-Stokes方程，對(duì)超音速分離流噴管內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，采用三維不可壓縮、穩(wěn)態(tài)、湍流模型，控制方程如下。

(1)質(zhì)量守恒方程

(1)

式中：ρ為液體密度；u為x方向速度；v為y方向速度；w為z方向速度。

(2)x,y,z方向的動(dòng)量方程分別為

(2)

(3)

(4)

(3)能量方程

div(λgradT)+Φ+Sh,

(5)

式中：h為流體比焓；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；Φ為耗散函數(shù)；Sh為流體的內(nèi)熱源；gradT為熱力學(xué)溫度T的溫度梯度。

(4)湍流方程。湍流模型采用工程計(jì)算中超音速?gòu)V泛應(yīng)用的剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)k-ω湍流方程模型，其中的k方程和ω方程限于篇幅需要不再贅述。

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

數(shù)值模擬的網(wǎng)格質(zhì)量影響計(jì)算結(jié)果的精確性和收斂性，利用高質(zhì)量網(wǎng)格劃分軟件ICEM對(duì)拉伐爾噴管模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，加密處理壁面邊界層，模擬采用SST湍流模型，在保證精度的情況下采用網(wǎng)格數(shù)35萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 噴管網(wǎng)格劃分

邊界條件設(shè)置為：入口壓力，4 MPa；溫度，303 K；流量，0.93 kg/s；壁面，絕熱壁面；出口速度，超音速。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

利用CFX軟件對(duì)喉部直徑為13.5 mm和13.0 mm的拉伐爾噴管A和B進(jìn)行模擬，模擬收斂曲線分別如圖4所示。設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)為質(zhì)量方程、動(dòng)量方程殘差小于10-4，可以看出2種不同喉部結(jié)構(gòu)的模型都達(dá)到了收斂標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 A和B噴管的收斂曲線

噴管的馬赫數(shù)、速度和溫度云圖變化如圖5所示。A噴管的云圖顯示有規(guī)律的梯度分布，而B噴管出口段云圖出現(xiàn)了明顯的跳躍變化，可見喉部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流場(chǎng)分布的影響很大。A噴管和B噴管的最大馬赫數(shù)均大于1，說(shuō)明在噴管內(nèi)的天然氣達(dá)到了超音速，從馬赫數(shù)和速度分布云圖可知，A噴管的天然氣在收縮段速度不斷增大，在喉部達(dá)到音速，接著在擴(kuò)散段繼續(xù)增大，達(dá)到超音速，在出口段，橫截面面積增大且速度減小。B噴管的天然氣在收縮段速度不斷增大，在喉部達(dá)到音速，接著在擴(kuò)散段繼續(xù)增大，達(dá)到超音速。在出口段，由于受回流的影響，在出口段速度逐漸減小區(qū)域出現(xiàn)速度跳躍，出現(xiàn)一段速度增大的部分。從速度分布云圖可知，A噴管在擴(kuò)散段和出口段的速度比B噴管大，這是因?yàn)锳噴管的喉部直徑為13.5 mm，B噴管的喉部直徑為13.0 mm，隨著喉部直徑的減小，擴(kuò)散段的內(nèi)徑也相應(yīng)減小，由質(zhì)量守恒定律可知，B噴管的速度必然比A噴管的速度大。當(dāng)速度增大時(shí)，溫度降低，速度減小時(shí)，溫度升高，從溫度分布云圖可知，溫度在收縮段逐漸降低，在擴(kuò)散段達(dá)到最低溫度，在出口段溫度逐漸上升，擴(kuò)散段形成的低溫有利于將天然氣中的水蒸氣和可凝性氣體由未飽和達(dá)到飽和狀態(tài)，自發(fā)凝結(jié)成液滴，便于后期分離器的進(jìn)一步分離。

圖5 A，B噴管的馬赫數(shù)、速度和溫度分布云圖

噴管擴(kuò)張段和出口段垂直于軸線的馬赫數(shù)、速度和溫度沿著徑向變化很大，在出口段取一橫截面(如圖6所示)，可以明顯地看出A噴管的馬赫數(shù)、速度和溫度沿著徑向變化很大，馬赫數(shù)和速度隨著半徑的增大而減小，而溫度隨著半徑增大而增大，這是由于氣流的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。B噴管在中心和壁面之間存在一段跳躍區(qū)域，對(duì)于馬赫數(shù)和速度而言，速度在跳躍區(qū)域最大，對(duì)于溫度而言，溫度在跳躍區(qū)最低。

圖6 擴(kuò)散段橫截面馬赫數(shù)、速度和溫度云圖

沿著軸線方向的A，B噴管壓力分布曲線如圖7所示。沿著軸線方向，壓力逐漸降低，在喉部的壓力最低，之后逐漸上升。A噴管的喉部壓力比B噴管的喉部壓力高，之后，A噴管的壓力上升速率明顯比B噴管的壓力上升速率大，可見喉部壓力受喉部結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響很明顯，因此有必要對(duì)喉部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，保證合適的壓力。

4 結(jié)論

本文建立了三維天然氣超音速分離流噴管高速流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)噴管內(nèi)天然氣流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析了超音速分離流噴管喉部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴管內(nèi)部流場(chǎng)馬赫數(shù)、速度和溫度分布的影響，繼而得出如下結(jié)論。

(1)噴喉部直徑為13.5 mm的A噴管內(nèi)天然氣能達(dá)到的最低溫度為267.41 K，喉部直徑為13.0 mm的B噴管內(nèi)天然氣能達(dá)到的最低溫度為215.94 K。

(2)A噴管和B噴管在擴(kuò)散段和出口段達(dá)到了超音速，通過(guò)簡(jiǎn)單的改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，噴管的運(yùn)行參數(shù)就會(huì)發(fā)生較大改變。因此，合理的噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天然氣的氣液分離十分重要。

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