胡文欣，張克舫*，王照亮，莫瓊，劉德緒

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 濮陽(yáng)，457000)

噴射器增壓技術(shù)已在石油、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，關(guān)于噴射器的模擬研究近年來在國(guó)內(nèi)和國(guó)際上都有文獻(xiàn)報(bào)道[1-3]。Beak等[4]通過FLUENT數(shù)值模擬，對(duì)R134a制冷劑在噴射器中的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，并驗(yàn)證了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的高度吻合性。余志宏[5]針對(duì)蒸汽噴射器，分析了工作蒸汽入口壓力、引射蒸汽入口壓力以及混合出口壓力對(duì)噴射器性能的影響，對(duì)合理工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化做了初步探討。Tang等[6-7]首次提出了在局部低壓區(qū)加輔助引射裝置來噴射器性能，并用FLUENT軟件來模擬輔助引射前后噴射器內(nèi)部流場(chǎng)的變化。Pianthong等[8]運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)蒸汽噴射器的引射系數(shù)與工作參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了模擬計(jì)算。韓立夫等[9]建立了二維軸對(duì)稱模型，通過FLUENT模擬，研究了不同壓力工況對(duì)大氣噴射器工作性能的影響規(guī)律。Chen等[10]應(yīng)用CFD可視化分析了噴射器內(nèi)的流場(chǎng)和混合過程，并研究了兩種主要結(jié)構(gòu)因素對(duì)噴射器性能的影響。

目前，對(duì)于噴射器比較成熟的數(shù)值模擬多為對(duì)蒸汽噴射器或者氣液兩相流噴射器的研究。高含硫天然氣組分復(fù)雜，硫化氫含量非常高，數(shù)值模擬高含硫天然氣在噴射器中的流動(dòng)特性，特別是噴射器內(nèi)的硫析出分析未見相關(guān)文獻(xiàn)。本文建立了天然氣噴射器的軸對(duì)稱模型，運(yùn)用FLUENT軟件，數(shù)值模擬了高含硫天然氣在噴射器內(nèi)的流動(dòng)特性，對(duì)不同壓力工況對(duì)引射系數(shù)的影響進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)噴射器內(nèi)高含硫天然氣的硫析出進(jìn)行了分析。

1 模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

對(duì)噴射器模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將計(jì)算模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)噴射器領(lǐng)域?qū)W者徐海濤等[11-13]在數(shù)值模擬噴射器的特性時(shí)，都簡(jiǎn)化了三維模型，采用二維軸對(duì)稱模型。Pianthong等[8]對(duì)二維軸對(duì)稱模型和三維模型分別進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果證明了兩種方法結(jié)果非常接近，說明對(duì)模型進(jìn)行二維簡(jiǎn)化的模擬結(jié)果是合理可靠的。

FLUENT數(shù)值模擬方法是基于質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒來描述流體流動(dòng)情況的。主要數(shù)學(xué)模型如下。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

組分方程：

(4)

湍流方程：

(5)

(6)

1.2 數(shù)值計(jì)算模型及可行性驗(yàn)證

噴射器數(shù)值計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，工作流體、引射流體進(jìn)口都選用pressure-inlet邊界條件，混合流體出口選擇pressure-outlet邊界條件，噴射器壁面假定為絕熱邊界，選用基于壓力的求解器，選擇壓力速度耦合的SIMPLE算法[14]，動(dòng)量、密度的插值格式均選擇First Order upwind，壓力插值格式選擇PRESTO。應(yīng)用流體力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT15.0進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，各項(xiàng)殘差的收斂精度均不小于10-6，最后進(jìn)口和出口質(zhì)量流量保持穩(wěn)定不變。本文的模擬計(jì)算結(jié)果都是在高性能服務(wù)器上計(jì)算完成的。

為了驗(yàn)證本文采用的模型及模擬方法的可靠性，參照沈志勇[15]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和噴射器模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與論文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證本文采用的模型及模擬方法的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 引射系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

對(duì)該論文中噴射器尺寸建立數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)行數(shù)值模擬。圖1顯示了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。分析圖1可以得到，實(shí)驗(yàn)值和模擬值有相同的變化趨勢(shì)，模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果高0.08～0.14左右，這是因?yàn)樵跀?shù)值模擬中進(jìn)行了理想化假設(shè)，假設(shè)噴射器內(nèi)流體是近似于無摩擦的等熵流動(dòng)，而在實(shí)際引射過程中因摩擦產(chǎn)生了流動(dòng)損失。在李海軍的文獻(xiàn)[16]中,模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差達(dá)到了0.25～0.35，遠(yuǎn)大于本文所用模型的模擬計(jì)算結(jié)果，這驗(yàn)證了本文的數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的對(duì)比Fig.1 Comparison of experimental results and simulation results

1.3 數(shù)值模型建立

噴射器內(nèi)工質(zhì)為含有8種組份的高含硫天然氣，各組分摩爾分?jǐn)?shù)及物性見表2所示。

按照索科洛夫等[17]的設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)工況(pp=15 MPa,Tp=323 K,ph=5 MPa,Th=320 K,pm=6.4 MPa)下進(jìn)行噴射器結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算。

表2 天然氣各組分物性及其摩爾分?jǐn)?shù)Table.2 Properties and mole fractions of natural gas components

圖2為設(shè)計(jì)計(jì)算并優(yōu)化后得到的噴射器二維軸對(duì)稱簡(jiǎn)圖。

圖2 噴射器二維軸對(duì)稱簡(jiǎn)圖Fig.2 Two-dimensional axisymmetric diagram of the ejector

應(yīng)用網(wǎng)格處理軟件ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，壁面處網(wǎng)格增加密度。為進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，選用3萬到20萬不同密度的網(wǎng)格數(shù)，通過比較噴射器引射系數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于等于110 114時(shí)，網(wǎng)格數(shù)已不影響計(jì)算結(jié)果，引射系數(shù)不再發(fā)生變化，所以最后確定單元數(shù)共計(jì)為 9 402個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為110 114個(gè)。圖3為網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證的結(jié)果。

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Grid independence test and verification results

2 模擬結(jié)果分析

2.1 工作流體入口壓力的影響

噴射器性能的優(yōu)劣一般用引射系數(shù)來評(píng)價(jià)，其等于引射流體質(zhì)量流量與工作流體質(zhì)量流量的比值。工作流體入口壓力對(duì)于引射系數(shù)有著至關(guān)重要的影響，在數(shù)值計(jì)算過程中，保持引射流體入口壓力ph(5 MPa)和混合出口壓力pm(6.4 MPa)不變，工作流體入口壓力pp從13 MPa逐漸增大到25 MPa。圖4給出了工作流體入口壓力pp對(duì)引射系數(shù)μ的影響規(guī)律。

從圖4可以看出，工作流體入口壓力由13 MPa增大到25 MPa，引射系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)工作流體入口壓力為17 MPa時(shí)，引射系數(shù)達(dá)到最大，為0.69。當(dāng)工作流體入口壓力小于17 MPa時(shí)，引射系數(shù)隨著壓力的增加不斷增大；而當(dāng)工作流體入口壓力大于17 MPa時(shí)，引射系數(shù)隨著壓力的增大而不斷減小。

圖4 工作流體入口壓力對(duì)引射系數(shù)的影響Fig.4 Effect of primary pressure on the entrainment ratio

圖5、圖6分別顯示了噴射器四種不同工作流體入口壓力下的軸線上壓力分布和速度云圖。由圖5可以看出噴射器內(nèi)主要的壓力變化發(fā)生在噴嘴出口以及擴(kuò)壓室進(jìn)口，并且隨著工作流體入口壓力的增加，噴射器內(nèi)壓力變化越明顯。從圖5、6可以看出，當(dāng)pp=13 MPa，15 MPa時(shí)，噴射器內(nèi)只產(chǎn)生單激波現(xiàn)象，即從噴嘴出口產(chǎn)生很短的一段鉆石激波鏈。噴射器內(nèi)高壓流體壓力在噴嘴出口降到最低，速度達(dá)到超音速，低壓高速的流體將引射流體吸入，二者在混合室內(nèi)進(jìn)行混合，混合過程中伴隨著能量交換、壓力突增速度突減的激波現(xiàn)象。在混合室某一位置兩股流體充分混合，壓力和速度均勻變化，進(jìn)入擴(kuò)壓室，混合流體升壓減速，達(dá)到所需壓力。當(dāng)pp=20 MPa和25 MPa時(shí)，噴射器內(nèi)壓力變化更加明顯，除在噴嘴出口產(chǎn)生一段較長(zhǎng)的激波鏈外，在擴(kuò)壓室進(jìn)口也產(chǎn)生了正激波現(xiàn)象，在此處壓力激增，速度突降為馬赫數(shù)小于1的亞音速流動(dòng)，混合均勻的流體進(jìn)入擴(kuò)壓室后速度降低，壓力升高，逐漸達(dá)到所需的出口壓力。

圖5 不同工作流體入口壓力下軸線上壓力分布Fig.5 Pressure distribution on the axis at different primary pressure

從圖4、圖6分析可得，當(dāng)pp<17 MPa時(shí)，隨著壓力升高，引射系數(shù)逐漸增大。這是因?yàn)楣ぷ髁黧w入口壓力的增大使得噴嘴出口產(chǎn)生的激波鏈越來越長(zhǎng)，工作流體與引射流體混合效應(yīng)更加劇烈，所能引射的引射流體也就越多。pp>17 MPa時(shí)，隨著壓力的不斷增大，由于產(chǎn)生了雙激波現(xiàn)象，此時(shí)工作流體質(zhì)量流量mp持續(xù)增加，而引射流體質(zhì)量流量mh緩慢增加,且mh的增加速率小于mp的增加速率，所以引射系數(shù)隨之減小。

圖6 不同工作流體入口壓力下速度分布云圖Fig.6 Velocity contours at different primary pressure

2.2 混合出口壓力影響

圖7給出了混合出口壓力對(duì)引射系數(shù)的影響規(guī)律。模擬過程中，保持工作流體、引射流體入口壓力分別為15 MPa、5 MPa不變，混合出口壓力從5.5 MPa增大到7 MPa。

分析圖7得，當(dāng)混合出口壓力pm<6.1 MPa時(shí)，隨著壓力的不斷增加，引射系數(shù)保持0.776不變，而pm>6.1 MPa時(shí)，引射系數(shù)隨著壓力的增加急速減小，即6.1 MPa為臨界壓力。超過臨界壓力后，混合出口壓力的升高使得噴射器噴嘴、混合室以及擴(kuò)壓室內(nèi)的流動(dòng)均發(fā)生了變化，噴射器性能急劇惡化，在pm=7 MPa時(shí)，引射系數(shù)已減小到0.31，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)回流。由此可知，在混合出口壓力超過臨界壓力后，噴射器一直處于亞極限[18]的工作狀態(tài)。

圖7 混合出口壓力對(duì)引射系數(shù)的影響Fig.7 Effect of mixing pressure on the entrainment ratio

為了進(jìn)一步了解噴射器內(nèi)流場(chǎng)分布，選取四種不同混合出口壓力下的軸線壓力分布和速度云圖，如圖8、9所示。由圖8分析可得，混合出口壓力pm=6.1 MPa和6.4 MPa時(shí)，噴嘴出口處壓力波動(dòng)明顯，且在擴(kuò)壓室入口附近發(fā)生了壓力突變，pm越小，噴嘴出口處壓力波動(dòng)范圍越長(zhǎng)。結(jié)合圖9中a、b速度云圖分析可知，兩種混合出口壓力下，噴嘴出口處產(chǎn)生了一段鉆石激波鏈，擴(kuò)壓室進(jìn)口附近則產(chǎn)生了正激波，混合出口壓力越大，噴嘴出口激波鏈越短，擴(kuò)壓室進(jìn)口正激波越弱。

分析圖9中c、d兩圖可知，混合出口壓力pm=6.6 MPa和7.0 MPa時(shí)，噴射器內(nèi)只發(fā)生單激波現(xiàn)象，即噴嘴出口產(chǎn)生的一段很短的鉆石激波鏈，擴(kuò)壓室入口沒有產(chǎn)生壓力突降、速度突增的正激波現(xiàn)象，且混合出口壓力越大，噴嘴出口的激波鏈越短，噴射器內(nèi)平均速度下降。

據(jù)此判斷，在保持工作流體和引射流體工作參數(shù)不變的情況下，混合出口壓力小于臨界壓力6.1 MPa時(shí)，噴射器內(nèi)出現(xiàn)雙壅塞現(xiàn)象，工作流體和引射流體質(zhì)量流量均不隨pm的增大而改變，所以引射系數(shù)保持不變。當(dāng)pm大于臨界壓力時(shí)，混合出口壓力的增大使得噴射器內(nèi)激波鏈減短，工作流體對(duì)引射流體的抽吸能力減弱，混合室、擴(kuò)壓室內(nèi)混合流體流場(chǎng)發(fā)生急劇變化，工作流體質(zhì)量流量隨著pm的增大而不斷增加，而其所抽吸的引射流體質(zhì)量流量卻隨之減小，引起了引射系數(shù)急劇下降。所以，工程中應(yīng)盡量防止過高的出口壓力的出現(xiàn)。

圖8 不同混合出口壓力下軸線上壓力分布Fig.8 Pressure distribution on the axis at different mixing pressure

圖9 不同混合出口壓力下速度云圖Fig.9 Velocity contours at different mixing pressure

2.3 噴射器內(nèi)硫析出分析

普光氣田天然氣成分復(fù)雜，硫化氫含量高達(dá)13.67%,水蒸氣含量高達(dá)9.87%，具有高含硫含濕的特點(diǎn)[19-20]。對(duì)設(shè)計(jì)工況下，噴射器內(nèi)除甲烷外其他七組分軸線上的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了分析。圖10給出了各組分在軸線上體積分?jǐn)?shù)分布。

由圖10可以看出，含量較高的硫化氫、水蒸氣、二氧化碳3種成分在軸線上的分布變化比較大，而其他四組分基本保持不變。硫化氫、水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先減小后產(chǎn)生一段波動(dòng)，最后保持穩(wěn)定不變的趨勢(shì)。圖11顯示了設(shè)計(jì)工況下噴射器軸線上的溫度變化。分析圖11可得，工作流體在噴嘴出口速度達(dá)到最高，壓力、溫度則降到最低。噴嘴出口高速流體將引射流體吸入，二者混合，產(chǎn)生激波現(xiàn)象，溫度急劇升高，接下來由于激波的壓縮作用，溫度急劇下降，最后緩慢增加到所需的出口溫度。

李時(shí)杰等[21-22]提出，當(dāng)溫度和壓力降低時(shí), 硫元素在天然氣中的硫化氫氣體中溶解度降低，從而導(dǎo)致硫析出。高含硫天然氣在噴射器內(nèi)流動(dòng)的過程中，隨著噴射器內(nèi)壓力和溫度的降低，硫化氫、二氧化碳等氣體的密度不斷下降，單質(zhì)硫在硫化氫中的溶解度不斷下降，當(dāng)下降到小于該壓力、溫度條件下的臨界溶解度時(shí)，單質(zhì)硫?qū)⒖焖購(gòu)牧蚧瘹錃怏w中析出。

圖10 軸線上的各組份分布Fig.10 The distribution of each component on the axis

圖11 軸線上的溫度分布Fig.11 Temperature distribution on the axis

由李寧等[23]的研究可知，保持天然氣溫度高于323 K時(shí)，能有效降低天然氣中硫的析出，在溫度低于303 K時(shí)硫容易從天然氣中析出。圖10～11表明，噴射器內(nèi)軸線上溫度在噴嘴出口極速降低，由初始狀態(tài)的323 K降低為240.04 K,在混合室內(nèi)，由于工作流體的卷吸作用將溫度為320 K的引射流體吸入，兩股流體相互混合，能量交替變化，溫度上升，在擴(kuò)壓室進(jìn)口達(dá)到332 K。由圖11分析可得，噴射器噴嘴出口到擴(kuò)壓室進(jìn)口范圍內(nèi)，硫化氫的體積分?jǐn)?shù)保持較低的數(shù)值，這是因?yàn)閱钨|(zhì)硫在硫化氫中溶解度降低，產(chǎn)生了硫析出造成。綜合分析可得，在設(shè)計(jì)工況下，在噴嘴喉部出口到擴(kuò)壓室進(jìn)口處，發(fā)生了硫析出。此外，從圖10～11中可得，噴嘴出口到混合室喉部進(jìn)口溫度低于水蒸氣發(fā)生相變溫度273 K,水蒸氣在這一范圍內(nèi)體積分?jǐn)?shù)也低于進(jìn)出口時(shí)數(shù)值，在噴嘴出口到混合室喉部進(jìn)口這一范圍內(nèi)發(fā)生了水蒸氣的相變。

3 結(jié)論

本文基于計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT數(shù)值模擬了噴射器內(nèi)高含硫天然氣的壓力、速度、溫度分布，介紹了數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模型的建立，并應(yīng)用該模型研究了工作參數(shù)對(duì)引射系數(shù)的影響，同時(shí)對(duì)噴射器內(nèi)的硫析出進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)引射系數(shù)隨工作流體進(jìn)口壓力的升高先增大后減小，工作流體入口壓力存在一個(gè)最佳值。

(2)在工作流體和引射流體工作參數(shù)保持不變的情況下，混合出口壓力的升高使得引射系數(shù)逐漸減小，混合出口壓力過大會(huì)導(dǎo)致噴射器性能急劇減弱。

(3)在設(shè)計(jì)工況下，噴射器噴嘴喉部出口到混合室喉部中部發(fā)生了硫析出，噴嘴出口到混合室喉部進(jìn)口發(fā)生了水蒸氣的相變。

(4)研究發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)噴射器內(nèi)硫析出有重要的影響，所以可以提高工作流體入口溫度來提高噴射器內(nèi)的整體溫度，從而減少硫的析出。