高翔　李洪言　肖磊　劉琪　張雨　張瑞源

摘 要：臨界流文丘里噴嘴主要應(yīng)用于氣體流量標(biāo)準(zhǔn)的測量，由航空航天企業(yè)發(fā)展到社會領(lǐng)域各個行業(yè)。通過對噴嘴喉部直徑以及臨界背壓比進(jìn)行探究，應(yīng)用Fluent軟件對不同類型噴嘴內(nèi)流場進(jìn)行模擬優(yōu)化，得出不同噴嘴類型內(nèi)部流動規(guī)律，優(yōu)化得出圓環(huán)形文丘里噴嘴優(yōu)點(diǎn)更為突出。結(jié)合示例，設(shè)計(jì)噴嘴結(jié)構(gòu)并應(yīng)用Fluent模擬損失量，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性。對于利用臨界流噴嘴提高流量監(jiān)控準(zhǔn)確性以及對噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：臨界流噴嘴；Fluent模擬；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.210

0 引 言

噴嘴在石油化工行業(yè)近年來使用較為廣泛，其可以應(yīng)用于流量標(biāo)準(zhǔn)傳遞、流量實(shí)時(shí)測量以及流量限制等方面。其中臨界流文丘里噴嘴在應(yīng)對高壓氣體輸送過程以及流量檢測過程有著舉足輕重的作用。以數(shù)值模擬為橋梁，對實(shí)驗(yàn)條件加以控制進(jìn)行理想條件下的研究工作，更加清楚直觀的流場內(nèi)部狀態(tài)，相比于理論和實(shí)驗(yàn)法來說，CFD模擬在流量測量領(lǐng)域較為突出。

通過研究分析四種噴嘴結(jié)構(gòu)，應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）模擬軟件觀察噴嘴內(nèi)部流場動態(tài)情況，對噴嘴喉部以及臨界背壓比進(jìn)行探究，優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，從而大大提高流量監(jiān)控準(zhǔn)確性以及工業(yè)氣體流量計(jì)量的效率成本。

1 臨界流文丘里噴嘴關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

1.1 臨界流文丘里噴嘴原理

臨界流文丘里噴嘴按照標(biāo)準(zhǔn)可以分為標(biāo)準(zhǔn)臨界流噴嘴以及臨界流文丘里噴嘴，喉部氣流的速度隨著出口壓力與上游滯止壓力之比減小而增大，當(dāng)其減少到一定數(shù)值后喉部速度達(dá)到音速，即噴嘴喉部處流體達(dá)到臨界流狀態(tài)，喉部后達(dá)到超音速流狀態(tài)，通過噴嘴的流速為定值，流量大小僅與上游壓力有關(guān)，且準(zhǔn)確度較高。出入口壓力之比成為臨界壓力比[1]。

1.2 噴嘴喉部直徑優(yōu)化

噴嘴喉部直徑公式為計(jì)算流體力學(xué)軟件提供了有力的數(shù)據(jù)支持，為應(yīng)用到臨界流噴嘴工藝的站場天然氣放空、儲氣庫注采氣等工藝提供了理論依據(jù)。

被測介質(zhì)的流量很大程度上與噴嘴喉部直徑D有關(guān)。在設(shè)計(jì)噴嘴裝置時(shí)，需要根據(jù)噴嘴裝置的流量范圍、工作壓力、溫度和介質(zhì)的熱物性參數(shù)等數(shù)據(jù)[1]，通過理論依據(jù)與計(jì)算公式相結(jié)合的方法得到噴嘴流量計(jì)的喉部直徑。

把噴嘴喉部的橫截面代入體積流量計(jì)算公式中，整理后可得噴嘴喉部直徑d的計(jì)算公式[2]：

將介質(zhì)的實(shí)際工況體積流量qv、通用氣體常數(shù)R、摩爾質(zhì)量M和所計(jì)算出的流出系數(shù)Cd、臨界流系數(shù)CR、滯止壓力P0、滯止溫度T0，滯止密度，代入上述公式中，并與雷諾數(shù)公式：經(jīng)迭代可得到每個工況體積流量所對應(yīng)的喉部直徑。

其中K是等熵指數(shù)。由以上公式可見，在噴嘴設(shè)計(jì)中影響喉部直徑的決定性因素主要有體積流量qv和等熵指數(shù)。

1.3 臨界背壓比優(yōu)化

對于臨界流文丘里噴嘴，通過其喉部流量保持穩(wěn)定的必要條件是：流體所處背壓小于臨界被壓[2]。研究表明：臨界壓力的比值和擴(kuò)散管的橫截面積關(guān)系密切，大約保持在0.85—0.95之間[3]。因此采用Gambit建模，F(xiàn)luent15.0模擬，研究對象選取標(biāo)準(zhǔn)臨界流噴嘴，噴嘴尺寸按照國標(biāo)ISO-9300進(jìn)行設(shè)計(jì)，模擬喉部直徑為15mm，10mm，5mm，出口尺寸按照背壓比為0.9設(shè)計(jì)。

由于噴嘴具有對稱性的特點(diǎn)，我們采用二維對稱平面網(wǎng)格劃分。根據(jù)噴嘴結(jié)構(gòu)類型特點(diǎn)，我們定義噴嘴喉部直徑為15mm（10mm、5mm），入口段直徑為37.5mm，密度變化不考慮，絕熱指數(shù)設(shè)為1.4，進(jìn)口壓力為1atm。出口壓力分別為0.5，1，1.5atm。驗(yàn)證噴嘴的臨界背壓值以及不同喉形不同背壓下的流量比。

通過Fluent15.0模擬及數(shù)據(jù)分析得到圖1：

圖1左圖（質(zhì)量流量與臨界背壓比的關(guān)系）；右圖（不同喉徑不同背壓下通過噴嘴的流量比）。

通過對臨界背壓比與質(zhì)量流量的關(guān)系可以得出：當(dāng)臨界背壓比小于0.9時(shí)也就是背壓與上游壓力比P2/P1<0.90時(shí)，通過噴嘴流量基本保持不變，從而實(shí)現(xiàn)了流量的精確控制[4]。

隨著喉部直徑的增加，噴嘴的臨界背壓比緩慢增加，可能是由于噴嘴的喉部直徑過小，噴嘴邊界層的影響不能忽略，壓降隨之產(chǎn)生，損失也就發(fā)生在臨界背壓比上[4]。

2 臨界流文丘里噴嘴的數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

作為建立臨界流文丘里噴嘴內(nèi)部物理模型的基礎(chǔ)軟件Gambit在此領(lǐng)域的應(yīng)用較為突出，通過對噴嘴內(nèi)部流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定計(jì)算精度以及穩(wěn)定性；Fluent是目前國際上流行的商用CFD軟件，其關(guān)于流體力學(xué)、傳熱學(xué)以及化學(xué)反應(yīng)有關(guān)模擬都有廣泛的應(yīng)用。其突出的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值模擬方法、強(qiáng)大的后期處理能力在各個領(lǐng)域特別是石油天然氣方面有著廣泛的應(yīng)用。相比國內(nèi)外的CFD軟件的研究范圍，國內(nèi)對噴嘴的研究示例較少，以探索性研究為主[3]。

選取國標(biāo)規(guī)定的15mm口徑為喉部直徑基準(zhǔn)參數(shù)代Gambit2.4.6及Fluent15.0，對多種不同類型噴嘴建模及后處理。綜合分析得出如表1。

2.2 模擬結(jié)果

通過表1中的模擬數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

（1）噴嘴喉部溫度較整體相比為最高溫度帶，且溫度由噴嘴邊緣處向內(nèi)逐漸升高。溫度最低點(diǎn)集中在噴嘴收縮斷面開始端夾角。

（2）噴嘴喉部壓力較整體相比為最低壓力帶，且在噴嘴喉部左右下范圍內(nèi)壓力隨著噴嘴邊緣向內(nèi)逐漸降低。

（3）噴嘴喉部速度較整體相比為最高速度帶，且喉部速度徑向變化不明顯，速度沿軸向變化程度大，速度最低點(diǎn)集中在噴嘴收縮斷面開始端夾角。

（4）文丘里噴嘴的壓力損失較小，并且長度遠(yuǎn)小于文丘里管，因此更適用于測量大口徑，穩(wěn)定流動的直管段的氣量。圓環(huán)形文丘里噴嘴相比之下優(yōu)點(diǎn)更為突出。

對質(zhì)量流量公式進(jìn)一步驗(yàn)證：模擬仍以15mm口徑為參照。由于四種類型的音速噴嘴喉部質(zhì)量流量基本相同，說明在結(jié)構(gòu)條件相似的情況下質(zhì)量流量的大小主要與喉部尺寸有關(guān)。以圓環(huán)形文丘里噴嘴為例，對不同溫度、壓力的情況進(jìn)行模擬比較。

結(jié)論得出：同一類型噴嘴喉部直徑、喉部溫度相同時(shí)，進(jìn)口壓力與質(zhì)量流量成正比；同一類型噴嘴喉部直徑、進(jìn)口壓力相同時(shí)，喉部溫度與質(zhì)量流量成反比，從而驗(yàn)證了質(zhì)量流量理論公式。

3 臨界流文丘里噴嘴應(yīng)用

在儲氣庫工藝中，為了避免采氣速度會超過氣蝕流量而導(dǎo)致的物理化學(xué)腐蝕，方便調(diào)節(jié)與控制氣井的采氣量，采氣井安裝臨界流音速噴嘴進(jìn)行氣體流量控制，從而減少下游壓力對整體的影響。

選定儲氣庫臨界流噴嘴工藝參數(shù)為：進(jìn)口壓力為15Mpa、50℃工作環(huán)境對應(yīng)流體流量：50×104Nm3/d；流量誤差<1.5%；達(dá)到音速時(shí)最小壓力比：。

3.1 噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

代入噴嘴喉部直徑計(jì)算公式，計(jì)算出喉部直徑約為11.8693mm，取12mm。

由于下游壓力的影響對噴嘴影響較大，故應(yīng)盡量減小下游壓力對臨界流噴嘴的影響，臨界流噴嘴應(yīng)能在P2<0.86P1達(dá)到臨界音速狀態(tài)，選取A2/A1>4。由于地面儲氣庫對噴嘴的承壓能力以及內(nèi)部壓力損失要求嚴(yán)格，我們選取圓環(huán)形音速文丘里噴嘴。臨界流噴嘴尺寸參數(shù)及橫截面簡圖見圖2所示。

3.2 CFD數(shù)值模擬

在注氣期間不卸除噴嘴時(shí)在不同壓力、流量工況條件下壓力損失模擬以臨界文丘里噴管出口向入口流動為例，模擬3種狀況下噴嘴內(nèi)部速度、壓力損失情況。結(jié)果見表2：

模擬結(jié)果表明，對于當(dāng)前結(jié)構(gòu)的文丘里噴嘴，當(dāng)流體反向流動時(shí)，其阻力損失很小。當(dāng)模擬流體正向流動時(shí)，其阻力損失也很小。

4 結(jié)論

（1）對噴嘴直徑公式進(jìn)行優(yōu)化，以及確定臨界背壓比，此時(shí)喉部流速達(dá)到最大流速—即達(dá)到“臨界流”，通過噴嘴流量基本保持不變，從而實(shí)現(xiàn)了流量的精確控制。

（2）建立噴嘴流場數(shù)值模擬，模擬了四種類型的噴嘴結(jié)構(gòu)，獲得了壓力場、溫度場、速度場分布信息，通過對收縮角、擴(kuò)散角等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，優(yōu)選了噴嘴結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證了質(zhì)量流量公式。

（3）結(jié)合儲氣庫示例，設(shè)計(jì)圓環(huán)形音速文丘里噴嘴結(jié)構(gòu)，通過模擬流體正向、反向流動，損失都很小，且性能穩(wěn)定，工作可靠，可實(shí)現(xiàn)較寬范圍內(nèi)流量精確控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]李春輝，王池.臨界流噴嘴數(shù)值模擬初探[J].計(jì)量技術(shù)，2006（10）：7-9.

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[3]王麗辰，朱云，鄭哈等.基于Fluent的臨界流文丘里噴嘴的內(nèi)部流場仿真分析[M].杭州：中國計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，2013，12（34）：93-96.

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基金項(xiàng)目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目--天然氣流量控制音速噴嘴技術(shù)研究（201813386041）

作者簡介：高翔（1997-），男，山東濟(jì)南人，本科在讀，研究方向：油氣儲運(yùn)工程。