鄭偉業(yè) 陳 斌 欒輝寶 夏曉宇 王 崧

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所)

天然氣因其燃燒清潔、儲量巨大被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸及航空航天等領(lǐng)域[1]。在天然氣加氣站中，液化-壓縮天然氣(L-CNG)加氣站將液化天然氣(LNG)經(jīng)高壓液體泵加壓汽化后向CNG汽車加氣[2]。因L-CNG加氣站有占地小、投資省、能耗低、噪音小、充裝速度快及不依賴管網(wǎng)等優(yōu)勢而成為一種備受歡迎、具有良好發(fā)展前景的加氣站類型。相對于傳統(tǒng)通過氣體壓縮機來提高壓力的CNG加氣站，L-CNG加氣站的高壓是通過低溫高壓泵實現(xiàn)的。在相同質(zhì)量流量和壓縮比的條件下，低溫高壓泵的投資、能耗和占地面積均遠小于氣體壓縮機。L-CNG系統(tǒng)中的氣化處于超臨界壓力狀態(tài)，管內(nèi)LNG的氣化在低溫、高壓的條件下進行，因LNG低溫且易燃易爆，目前國內(nèi)外鮮見對其超臨界試驗研究的報道。Chen D S和Shi Y M研究了亞臨界情況下LNG的沸騰傳熱性能[3]。

超臨界流體的換熱規(guī)律具有特殊性，當其壓力接近臨界壓力時，單相強迫對流換熱規(guī)律不成立；而當其溫度在準臨界溫度附近時，傳熱系數(shù)與普通單相強迫對流相比有時增高，有時降低。這種傳熱的“強化”和“惡化”促使學者對其機理進行探究。

目前國內(nèi)對超臨界流體的研究以CO2冷卻換熱為主[4～6]，關(guān)于甲烷在超臨界壓力下的流動和傳熱研究十分有限，且大多為冷卻換熱的數(shù)值模擬[7,8]。筆者采用CFD數(shù)值模擬分析超臨界壓力下壁面熱流密度、質(zhì)量流速和進口溫度對水平管內(nèi)甲烷加熱換熱特性的影響規(guī)律。

1 數(shù)值求解方法

1.1物理模型

筆者選用的圓管直徑為4mm，總長度為2 000mm。Fluent計算中取二維模型，在ANSYS ICEM中建立圓管模型并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元總數(shù)為694 861。

1.2控制方程與求解方法

采用SST湍流模型[9]，忽略重力的影響，表面施加恒熱流密度邊界條件，進口設(shè)置為Mass flow rate，出口設(shè)置為Out flow。

質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒的通式可寫成：

式中Sφ——源項；

φ——全局變量；

Γφ——擴散系數(shù)。

采用Simplec算法求解壓力和速度耦合方程，采用Quick算法離散動量和能量方程，采用一階迎風格式離散湍動能和湍流耗散方程，動量、能量、湍動能和湍流耗散的松弛因子分別取0.70、0.99、0.80、0.80。物性(密度、比熱、粘度和導(dǎo)熱系數(shù))利用NIST軟件計算并采用Piece-linear法輸入。計算結(jié)束后輸出沿管長方向的壁溫Tw和流體溫度Tb分布。

局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hi的計算式為：

hi=qw/(Tw-Tb)

式中qw——熱流密度。

2 模型的驗證

筆者選取文獻[9]中圖9a液氮的工況，采用相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用ANSYS ICEM劃分網(wǎng)格，并用ANSYS fluent進行求解，得到不同進口溫度Ti、熱流密度qw和進口質(zhì)量流速G下的壁溫模擬值與試驗值對比(圖1)，由圖1可知，模擬所得結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好。

圖1 壁溫模擬值與試驗值對比

3 影響因素分析

筆者選取甲烷工作壓力5MPa，進口溫度160～190K，進口質(zhì)量流速100～400kg/(m2·s)，加熱段的熱流密度為40～160kW/m2。

3.1熱流密度

進口溫度180K、質(zhì)量流速400kg/(m2·s)時，熱流密度對壁溫和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響如圖2所示。圖2a中壁溫均大于準臨界溫度，且隨著熱流密度的增大而升高；圖2b中的豎直線表示流體溫度達到準臨界溫度，豎直線左側(cè)流體溫度低于準臨界溫度，右側(cè)流體溫度高于準臨界溫度。由圖2b可知，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著熱流密度的增大而減??；對于確定的熱流密度，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；在準臨界溫度附近，流體溫度超過準臨界溫度的相對距離隨著熱流密度的增大而減小。

a. 壁溫

b. 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

3.2質(zhì)量流速

進口溫度180K、壁面熱流密度100kW/m2時，質(zhì)量流速對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響如圖3所示。從圖3可知，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨質(zhì)量流速的增大而增大。這是由于當質(zhì)量流速增加時，流體湍流程度增大，換熱效果增強。

圖3 質(zhì)量流速對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

3.3進口溫度

圖4 進口溫度對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

4 結(jié)論

4.1當進口溫度和質(zhì)量流速一定時，隨著熱流密度的增加，壁溫增大，而表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減小。

4.2當進口溫度和壁面熱流密度一定時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨質(zhì)量流速的增大而增大。

4.3當質(zhì)量流速和壁面熱流密度一定時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著進口溫度的增加而增大。

[1] 李言偉.天然氣流量計量中確定壓縮因子的方法[J].化工自動化及儀表,2013,40(1):12～15.

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