許佳偉 明紅芳（中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028）

IFV凝結(jié)器單根換熱管流動(dòng)CFD模擬分析

許佳偉 明紅芳（中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028）

分別用FLUENT和常用換熱關(guān)聯(lián)式對(duì)超臨界LNG管內(nèi)對(duì)流換熱進(jìn)行計(jì)算，并將二者計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：LNG管內(nèi)氣化過(guò)程中，由于密度的變化導(dǎo)致管內(nèi)流速增加，但在出口處速度增加趨于平緩；計(jì)算所得U型管的壓降明顯高于直管，管內(nèi)LNG沿軸向截面平均溫度基本相同。研究結(jié)果可為IFV傳熱機(jī)理研究提供參考。

IFV凝結(jié)器；LNG；FLUENT；數(shù)值模擬

將液化天然氣（LNG）進(jìn)行氣化處理的氣化器主要有：中間介質(zhì)氣化器（IFV）、開架式氣化器（ORV）、浸沒(méi)燃燒式氣化器（SCV）以及空溫式氣化器（AAV）。

IFV主要由蒸發(fā)器、凝結(jié)器和調(diào)溫器三部分構(gòu)成。海水從調(diào)溫器進(jìn)入，將熱量傳遞給中間介質(zhì)，。LNG從蒸發(fā)器進(jìn)入，中間介質(zhì)在上部LNG流動(dòng)管外凝結(jié)使LNG液體氣化[1]。海水的熱量間接傳遞給LNG。海水從蒸發(fā)器排出，LNG從蒸發(fā)器進(jìn)入氣化后再進(jìn)入調(diào)溫器中被加熱后排出，調(diào)溫器中海水和LNG呈逆流布置以強(qiáng)化換熱[2]。

1 研究模型及數(shù)值計(jì)算

1.1 數(shù)學(xué)模型

在IFV凝結(jié)器中，LNG在管內(nèi)流動(dòng)并與管外中間介質(zhì)換熱。模擬中用純甲烷代替LNG。LNG進(jìn)口溫度為-165℃。甲烷臨界壓力為4.6MPa，管內(nèi)LNG壓力為12.2MPa，入口溫度低于臨界溫度，出口溫度高于臨界溫度。所以這是一個(gè)在高壓力下跨臨界溫度的換熱過(guò)程。LNG升溫過(guò)程中，在假擬臨界溫度-49℃附近，物性劇烈變化，相應(yīng)的換熱特性也有很大變化，故將其升溫過(guò)程以假擬臨界溫度為界，分為凝結(jié)器一區(qū)和凝結(jié)器二區(qū)，如圖1所示。

圖1 IFV凝結(jié)器結(jié)構(gòu)圖

以單管內(nèi)LNG流動(dòng)換熱為研究對(duì)象，研究LNG超臨界流動(dòng)傳熱性能。U型管外徑為20mm，內(nèi)徑16mm，管長(zhǎng)18m，凝結(jié)器一區(qū)管長(zhǎng)14m，二區(qū)管長(zhǎng)4m。彎管處為半徑200mm的半圓弧，直管段長(zhǎng)8.372m。為了研究彎管對(duì)流動(dòng)換熱的影響，同時(shí)模擬了同樣長(zhǎng)度直管的情況，其幾何尺寸與邊界條件與U型管完全相同。

1.2 網(wǎng)格劃分

為了準(zhǔn)確模擬彎管對(duì)LNG流動(dòng)換熱的影響，在彎管處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。采用MAP-PAVE方式生成四邊形面網(wǎng)格，采用COOPER方式生成六面體網(wǎng)格。

1.3 數(shù)值計(jì)算

Jackson和Hall[3][4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)擬合出二氧化碳在超臨界狀態(tài)下管內(nèi)換熱的關(guān)聯(lián)式(1)。

式中

下標(biāo)w表示管壁面處參數(shù)，b表示管內(nèi)流體參數(shù)，pc為假擬臨界值；Cpb為管內(nèi)流體的等壓熱容，H為流體的熱焓。

在假擬臨界溫度以下，該公式能得到較好效果，但在假擬臨界溫度以上，采用具有更高的精度關(guān)聯(lián)式(4)[5]，該式適用于超臨界氣體管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱:

Nu=0.0068Re0.94Pr0.4(4)

1.4 數(shù)值模擬

分別采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε型和κ-ω模型對(duì)LNG在管道內(nèi)的流動(dòng)換熱進(jìn)行模擬。對(duì)于圓形管道，水力直徑等于圓管直徑16mm，完全發(fā)展管流的核心湍流強(qiáng)度可用經(jīng)驗(yàn)公式(5)計(jì)算。

I?0.16(Re)-1/8(5)

采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法；壓力速度耦合采用SIMPLEC算法；壓力插補(bǔ)格式選擇STANDRAD格式。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 速度與壓力分布

圖2 直管和U型管內(nèi)流體速度變化曲線

圖3 直管和U型管內(nèi)壓強(qiáng)變化曲線

圖3為直管和U型管內(nèi)壓強(qiáng)對(duì)比曲線。相同軸向位置，κ-ω模型得到的管內(nèi)壓強(qiáng)比κ-ε模型的結(jié)果稍大。U型管內(nèi)壓降比直管內(nèi)壓降大，這是由于彎管增加了流動(dòng)阻力，使得壓降增加。

2.2 溫度分布

圖4為用兩種模型模擬直管內(nèi)流體溫度沿軸向變化的曲線。由于初始段管內(nèi)外流體換熱溫差很大，溫度增長(zhǎng)梯度很大。隨著管內(nèi)流體溫度升高，溫度增長(zhǎng)梯度逐漸減小，曲線趨向平緩，最終達(dá)到充分發(fā)展。圖5為用兩種模型模擬U型管內(nèi)流體溫度沿軸向的變化曲線，其變化趨勢(shì)與直管內(nèi)的變化趨勢(shì)相同。

圖4 直管內(nèi)流體溫度變化曲線 圖5 U型管內(nèi)流體溫度變化曲線

用關(guān)聯(lián)式計(jì)算得到LNG出口溫度比FLUENT模擬結(jié)果低17.74K，相對(duì)誤差為6.52%。導(dǎo)致二者計(jì)算結(jié)果偏離的原因?yàn)椋阂皇撬藐P(guān)聯(lián)式誤差的影響；二是LNG在管內(nèi)流動(dòng)雷諾數(shù)68922處于湍流區(qū)內(nèi)，F(xiàn)LUENT模擬湍流結(jié)果相對(duì)誤差較大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分別用FLUENT和關(guān)聯(lián)式對(duì)LNG管內(nèi)換熱進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)二者計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，同時(shí)用FLUENT模擬了直管和U型管以考察彎管對(duì)LNG管內(nèi)流動(dòng)的影響，得到結(jié)論如下：

（1）LNG管內(nèi)超臨界氣化過(guò)程中，因密度的變化導(dǎo)致管內(nèi)流速增加，但在管出口處速度的增加趨于平緩，且在彎頭處速度變化劇烈。

（2）U型管的壓降明顯高于直管，管內(nèi)LNG沿軸向截面平均溫度基本相同。

（3）由于關(guān)聯(lián)式的誤差以及FLUENT模擬湍流方法的不確定性，導(dǎo)致兩種方法結(jié)果不同，F(xiàn)LUENT模擬得到的LNG出口溫度比關(guān)聯(lián)式高17.74K。

[1]白宇恒，徐會(huì)金，屈治國(guó)，陶文銓.LNG中間介質(zhì)氣化器熱動(dòng)態(tài)特性研究[C].中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)_學(xué)會(huì)會(huì)議論文,西安，2011.

[2]宋坤，衣鵬.LNG中間介質(zhì)氣化器換熱分析[J].化學(xué)工程與裝備，2012，10:75-77.

[3]王亞洲.低溫甲烷在水平圓管中的超臨界湍流傳熱數(shù)值研究[D].浙江大學(xué)，2010.

[4]Bae Y Y,Kim H Y.Convective heat transfer to CO2 at a supercritical pressure flowing.vertically upward in tubes and an annular channel[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2009,33: 329-339.

[5]Keming Liang,Baoe Yang,and Zhongli Zhang.Investigation of Heat Transfer and Coking Characteristics of Hydrocarbon Fuels [J].Journal of propulsion and power,1998,14(5):962-967.