袁 培 許旺龍 呂彥力 付云飛 鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院

結(jié)構(gòu)參數(shù)對三維拉伐爾噴管流場分布影響的數(shù)值模擬

袁 培 許旺龍 呂彥力 付云飛 鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院

采用流體動力學(xué)軟件ANSYS CFX，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維拉伐爾噴管的流體流場分布影響進行數(shù)值模擬分析，得到噴管內(nèi)天然氣流場的分布曲線。分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對拉伐爾噴管內(nèi)流體流場分布的影響，并對不同的噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)進行均勻設(shè)計，選出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究結(jié)果表明：噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對噴管流場有不同程度的影響，入口直徑對流體的流場分布影響較小，喉部直徑和出口直徑對噴管內(nèi)流場分布的影響很大。通過均勻設(shè)計試驗可知，在一定的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)，拉伐爾噴管的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)是入口直徑Di=70 mm，喉部直徑Dt=6 mm，出口直徑Do=20 mm。

拉伐爾噴管；結(jié)構(gòu)參數(shù)；數(shù)值模擬；均勻設(shè)計

引言

天然氣在開采、集輸和加工過程中，天然氣中的水蒸氣易凝結(jié)為液態(tài)水，當天然氣中的酸性氣體硫化氫和二氧化碳等溶于液態(tài)水中時，形成酸性溶液，會腐蝕和堵塞天然氣管線中閥門及儀表等裝置。利用噴管的超音速分離技術(shù)對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[1-2]。

宋婧[3]對噴管的超音速分離技術(shù)進行了詳細分析和研究，通過數(shù)值模擬，得出了超音速噴管內(nèi)部流動參數(shù)和凝結(jié)參數(shù)的變化規(guī)律，以及超音速噴管幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對超音速分離效果的影響規(guī)律。文闖等[4]研究了噴管的收縮比、收縮半角和擴張半角對天然氣超音速噴管分離性能的影響，增大收縮比和收縮半角可以有效改善噴管分離性能，但收縮半角大于30°時，改善效果不明顯，擴張半角對分離性能有顯著影響。劉雪東等[5]采用CFD方法模擬了水在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的拉伐爾噴管中對空化效果的影響，結(jié)果表明，在幾個結(jié)構(gòu)參數(shù)中，喉部直徑的改變對噴管空化特性的影響最大。

雖然有不少學(xué)者對天然氣分離技術(shù)進行了數(shù)值模擬研究，但是針對噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴管內(nèi)部流場影響進行數(shù)值模擬研究的還很少。本文對天然氣超音速分離器噴管的關(guān)鍵部件拉伐爾噴管進行數(shù)值模擬分析，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對拉伐爾噴管的流體流場分布影響權(quán)值，可為噴管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)，節(jié)省噴管實驗設(shè)計耗費的大量人力、物力，提高經(jīng)濟效益。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 模型描述

拉伐爾噴管由收縮段、喉部和擴張段組成，收縮段采用維托辛斯基曲線設(shè)計，擴張段采用錐形管設(shè)計，錐角在8°～12°范圍內(nèi)，此處采用10°。定義Di是噴管入口直徑，Dt是喉部直徑，Do是出口直徑。

1.2 網(wǎng)格劃分

采用高質(zhì)量網(wǎng)格劃分軟件ANSYS ICEM對拉伐爾噴管模型進行網(wǎng)格劃分（具體采用O型網(wǎng)格技術(shù)、SST湍流模型和六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分），加密噴管壁面邊界層，流體介質(zhì)設(shè)置成和天然氣物性參數(shù)相同的理想氣體，網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 噴管網(wǎng)格劃分

入口邊界：質(zhì)量流量入口邊界設(shè)置為0.93 kg/s；出口邊界：outlet邊界；壁面：絕熱壁面。

2 模擬結(jié)果與分析

利用CFX軟件對拉伐爾噴管進行模擬。設(shè)定殘差收斂標準為10-5，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的模擬結(jié)果均滿足質(zhì)量、動量和能量殘差均小于10-5，且不平衡度曲線平緩，趨近于零，認為數(shù)值求解高度收斂。

2.1 入口直徑對流場的影響

入口直徑Di影響拉伐爾噴管的流場分布。分別對Di為65、70、75、30和110 mm的拉伐爾噴管進行模擬分析，其他參數(shù)設(shè)置：收縮段采用維托辛斯基曲線設(shè)計，擴張段采用錐形管設(shè)計，收縮段長度100 mm，喉部長度1 mm，錐角設(shè)置為10°，喉部直徑Dt=13 mm，出口直徑Do=25 mm。對以上結(jié)構(gòu)參數(shù)的拉伐爾噴管進行模擬，得出流體的溫度分布。

流體溫度沿著噴管軸線的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同入口直徑噴管沿著噴管軸線方向的流體溫度分布

從圖2可以看出：沿著噴管軸向，不同入口直徑噴管的流體溫度分布趨勢一致，噴管內(nèi)的流體沿著軸向溫度不斷降低，出口的溫度最低。

通過對比圖中流體溫度-軸線曲線可知：總體而言，不同入口直徑對溫度沿噴管軸向分布影響較小。相對于較大的入口直徑，小的入口直徑對溫度分布影響較大，在收縮段表現(xiàn)得較為明顯。

2.2 喉部直徑對流場的影響

喉部直徑Dt影響拉伐爾噴管的流場分布。分別對Dt為12、13、14、6和20 mm的拉伐爾噴管進行模擬分析，其它參數(shù)設(shè)置：收縮段采用維托辛斯基曲線設(shè)計，擴張段采用錐形管設(shè)計（對不同喉部直徑，采用錐形管設(shè)計將使噴管擴張段長度發(fā)生變化），收縮段長度100 mm，喉部長度1 mm，錐角設(shè)置為10°，入口直徑Di=70 mm，出口直徑Do=25 mm。對以上結(jié)構(gòu)參數(shù)的拉伐爾噴管進行模擬，得出流體的溫度分布。

流體溫度沿著噴管軸線的變化規(guī)律如圖3所示。

從圖3可以看出：沿著噴管軸向，不同喉部直徑噴管的流體溫度分布趨勢一致，噴管內(nèi)的流體沿著軸向溫度不斷降低，出口的溫度最低。

圖3 不同喉部直徑噴管在沿著噴管軸線方向的流體溫度分布

通過對比圖中流體溫度-軸線曲線可知：當喉部直徑相差不大時，如圖中喉部直徑為12，13和14 mm的噴管，噴管的溫度分布近似相等，且喉部直徑越小的噴管，溫度越高；喉部直徑很小或較大時，溫度在擴張段下降很明顯。

2.3 出口直徑對流場的影響

出口直徑Do影響拉伐爾噴管的流場分布。分別對Do為20、25、30、15和35 mm的拉伐爾噴管進行模擬分析，其它參數(shù)設(shè)置：收縮段采用維托辛斯基曲線設(shè)計，擴張段采用錐形管設(shè)計（對不同出口直徑，采用錐形管設(shè)計將使噴管擴張段長度發(fā)生變化），錐角設(shè)置為10°，喉部直徑Dt=13 mm，出口直徑Do=25 mm。對以上結(jié)構(gòu)參數(shù)的拉伐爾噴管進行模擬，得出流體的溫度分布。

流體溫度沿著噴管軸線的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同出口直徑噴管在沿著噴管軸線方向的流體溫度分布

從圖4可以看出：沿著噴管軸向，不同出口直徑噴管的流體溫度分布趨勢一致，噴管內(nèi)的流體沿著軸向溫度不斷降低，出口的溫度最低。

通過對比流體溫度-軸線曲線可知：不同出口直徑對流體溫度分布影響很大，出口直徑越小的噴管流體溫度下降速率越快，但出口溫度偏差較小。

3 均勻設(shè)計

分析噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場分布影響后，進一步對噴管結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，采取入口直徑、喉部直徑和出口直徑為3個影響因素，每個因素選取5個水平，如表1所示。按照均勻設(shè)計方法，對表1進行均勻設(shè)計得到表2。

表1 噴管結(jié)構(gòu)因素及水平

表2 均勻設(shè)計

從表2可知：低溫能夠得到較好的天然氣分離效果，以溫度作為試驗指標，入口直徑Di=70 mm，喉部直徑Dt=6 mm，出口直徑Do=20 mm的組合分離效果最好，可作為最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4 結(jié)論

（1）噴管入口直徑變化對管內(nèi)流場分布影響較小。相對于較大的入口直徑，小的入口直徑對溫度分布影響較大，在收縮段表現(xiàn)得較為明顯。

（2）噴管喉部直徑和出口直徑對管內(nèi)流場分布影響明顯。小的喉部直徑對整個流場分布的影響十分明顯，大的喉部直徑對喉部擴張段的流場分布影響很明顯，對收縮段的流場分布影響很小；出口直徑變化對喉部和擴張段的流場分布影響很明顯，對收縮段的流場分布影響很小，但出口直徑變化對溫度分布影響較小。

（3）通過均勻設(shè)計試驗，在一定的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)，三維拉伐爾噴管的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)是入口直徑Di=70 mm，喉部直徑Dt=6 mm，出口直徑Do=20 mm。

[1]蔣文明,劉中良,劉恒偉，等．新型天然氣超音速脫水凈化裝置現(xiàn)場試驗[J]．天然氣工業(yè)，2008（2）：136-138.

[2]何策,程雁,額日其太．天然氣超音速脫水技術(shù)評析[J]．石油機械，2006（5）：70-72.

[3]宋婧．噴管超音速分離技術(shù)在氣體脫水中的應(yīng)用研究[D]．北京：北京化工大學(xué)，2010：6.

[4]文闖,曹學(xué)文,張靜，等．基于旋流的天然氣超聲速噴管分離特性[J].石油學(xué)報，2011（1）：150-154.

[5]劉雪東,劉佳陽,朱小林，等．結(jié)構(gòu)參數(shù)對拉伐爾噴管空化特性影響的數(shù)值模擬[J]．常州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014（2）：43-47.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.015

袁培：博士，1982年畢業(yè)于西安交通大學(xué)動力工程及熱物理專業(yè)，鄭州輕工業(yè)學(xué)院任講師。

2015-05-19

基金論文：國家自然科學(xué)基金應(yīng)急管理項目（21446011）資助。

13700871823、yuantung@aliyun.com