王 凱 謝 磊 歐陽欣 閆 鋒 王海峰 韓 濤

1. 北京石油化工學(xué)院·深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2. 中國(guó)石油管道科技研究中心·油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 3. 中國(guó)石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司銀川管理處

1 研究背景

由于管道輸送天然氣的水露點(diǎn)較高，達(dá)到了生成天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）的條件，致使天然氣管道站場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行過程中容易發(fā)生“冰堵”現(xiàn)象。目前，為了防止輸氣站的調(diào)壓裝置發(fā)生“冰堵”，應(yīng)用電伴熱等外部熱源法加熱調(diào)壓閥的先導(dǎo)氣體，但存在著能耗高、維護(hù)繁瑣、安全隱患大、壽命短等諸多缺陷[1-4]。鑒于渦流管在安全和節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)，中俄東線、西氣東輸?shù)忍烊粴夤艿老嗬^開展了渦流管加熱器對(duì)調(diào)壓閥先導(dǎo)氣體在線加熱的可行性研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。渦流管（Ranque-Hilsch Vortex Tube，RHVT）是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的能量分離裝置，在化工、電子、汽車等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5-7]，國(guó)內(nèi)外采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法開展了較多的研究[8-15]。針對(duì)天然氣管道調(diào)壓系統(tǒng)先導(dǎo)氣在線加熱的需求和特點(diǎn)，美國(guó)環(huán)球渦流公司（Universal Vortex Inc.，UVI）對(duì)RHVT進(jìn)行了優(yōu)化改造，提出了一種新型的天然氣單流渦流管（Single Circuit Vortex Tube，SCVT）（圖 1）。SCVT 僅有一個(gè)進(jìn)口和出口，高壓氣體進(jìn)入渦流管后，經(jīng)2個(gè)噴嘴切向流入渦流室，在熱端管中作三維強(qiáng)旋湍流“折返”運(yùn)動(dòng)后全部由冷端管出口排出。SCVT能夠?qū)u流管內(nèi)氣體的熱量更高效地轉(zhuǎn)移至渦流管壁，以便利用其熱能對(duì)調(diào)壓閥先導(dǎo)氣體進(jìn)行充分加熱[1-3]。由于SCVT和RHVT在結(jié)構(gòu)方面存在著較大的差異，導(dǎo)致在內(nèi)部流動(dòng)與傳熱等方面呈現(xiàn)出許多不同的特點(diǎn)，但目前相關(guān)學(xué)術(shù)性研究報(bào)道鮮見。為了使渦流管加熱技術(shù)更好地適應(yīng)天然氣管道系統(tǒng)的工況調(diào)整和環(huán)境溫度變化，筆者基于前人關(guān)于RHVT的研究成果，采用數(shù)值模擬方法對(duì)SCVT的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)特性進(jìn)行了研究。

圖1 SCVT結(jié)構(gòu)示意圖

2 計(jì)算模型

SCVT的物理模型如圖1所示，其計(jì)算區(qū)域?yàn)殡p噴嘴（正方形）、渦流室、熱端管和冷端管。噴嘴面積為16 mm2；熱端管孔徑為16 mm；熱端管長(zhǎng)度為475 mm；冷端管孔徑為6.6 mm；冷端管長(zhǎng)度為15 mm。在計(jì)算模型的驗(yàn)證中，為與實(shí)驗(yàn)介質(zhì)保持一致，計(jì)算模型的氣體采用氮?dú)?，而在流?chǎng)與溫度場(chǎng)的結(jié)果分析中，將天然氣簡(jiǎn)化為單質(zhì)甲烷氣體。氮?dú)夂图淄榈臓顟B(tài)方程均采用實(shí)際氣體的PR狀態(tài)方程，其流動(dòng)過程滿足質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律[12-15]。標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型是求解k和ε的基本方程模型，模型系數(shù)通過實(shí)驗(yàn)擬合得到，適合完全湍流，可以處理黏性加熱、壓縮性等物理現(xiàn)象，穩(wěn)定性好，故本研究采用該模型對(duì)渦流管內(nèi)的流場(chǎng)開展研究[15]。

利用FLUENT軟件對(duì)渦流管流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，控制方程的離散采用有限體積法，壓力—速度耦合采用SIMPLE算法，壓力方程為二階離散格式，密度方程為三階MUSCL格式，動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散率以及能量方程都采用二階迎風(fēng)格式，控制變量的收斂殘差限制為10－5。壓力和溫度等初始條件選擇“標(biāo)準(zhǔn)初始化”方式自動(dòng)生成。邊界條件如下所列。

1）入口邊界：各噴嘴條件相同，為壓力入口，入口總壓力（pi）為1 MPa，總溫度（Ti）為288.16 K。

2）出口邊界：渦流管出口為壓力出口，出口壓力（po）為 0.1 MPa。

3）壁面邊界條件：壁面為無滑移絕熱邊界條件。

根據(jù)渦流管內(nèi)三維強(qiáng)旋流動(dòng)的特點(diǎn)，為兼顧計(jì)算速度和收斂性，采用ICEM軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)邊界層進(jìn)行了局部加密，以更好地捕捉流動(dòng)變化劇烈區(qū)域的邊界特征（圖2）。當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到100萬后，基本取得網(wǎng)格無關(guān)解。

3 模型驗(yàn)證

渦流管環(huán)路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的流程如圖3所示。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力為6 MPa，設(shè)計(jì)溫度為323 K，管徑為25 mm，管長(zhǎng)22 m左右。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為氮?dú)?，利用氮?dú)饧b格提供初始?xì)庠矗b格共16瓶氮?dú)?，單瓶氮?dú)獾挠行莘e為80 L，壓力為10 MPa。利用增壓機(jī)實(shí)現(xiàn)氣體在不同壓比、溫度、氣量條件下的循環(huán)流動(dòng)，增壓機(jī)的吸氣壓力介于1～6 MPa，排氣壓力低于10 MPa，額定流量為600 m3/h，功率為30 kW。不同工況的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可見，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)一致，出口溫度的最大偏差在0.8 K以內(nèi)，兩者吻合較好，說明上述計(jì)算模型是合理的。在基于進(jìn)出口壓力邊界條件下，數(shù)值模擬得出的質(zhì)量流量比實(shí)驗(yàn)結(jié)果高出20%～30%，其主要原因?yàn)椋孩儆捎趯?shí)驗(yàn)的進(jìn)出口壓力測(cè)取點(diǎn)距渦流管噴嘴及出口節(jié)流孔還有一定距離，且該區(qū)域附近流道的幾何形狀復(fù)雜，存在一定的壓力損失，而計(jì)算模型未能考慮這部分壓降；②測(cè)試的渦流管在盲端存在額外的熱氣通道，將一部分氣體直接返回到渦流室外側(cè)以抑制水合物的生成，計(jì)算模型未能考慮該部分的影響因素，所以得出的流量值偏高；③實(shí)驗(yàn)采用的增壓設(shè)備為活塞式增壓機(jī)，其出口壓力并不十分穩(wěn)定，導(dǎo)致渦流管進(jìn)口壓力存在0.1～0.3 MPa的波動(dòng)，這也給流量預(yù)測(cè)精度造成了一定影響。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié)果分析

甲烷在SCVT內(nèi)的流動(dòng)屬于高速旋轉(zhuǎn)的三維可壓縮湍流流動(dòng)，其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的主要特征為“外旋流”和“內(nèi)旋流”由能量分離界面隔開，分別沿渦流管軸線相反方向運(yùn)動(dòng)（圖4）。外旋流在能量分離界面處獲取內(nèi)旋流的能量后變?yōu)椤盁釟狻?，使管壁溫度升高成為所謂的“熱端管”，進(jìn)而具備加熱管外介質(zhì)（天然氣管道系統(tǒng)中調(diào)壓閥的先導(dǎo)氣體）的能力；與之對(duì)應(yīng)，內(nèi)旋流在失去能量后成為冷氣，經(jīng)冷端管排出管外。同時(shí)，外旋流氣體獲得能量后分化為兩部分：一部分沿?zé)岫斯芊较颍ǔ隹谙喾捶较颍┣斑M(jìn)，繼續(xù)吸收內(nèi)旋流的能量，使之具備更強(qiáng)的加熱能力；另一部分軸向速度發(fā)生逆轉(zhuǎn)，與內(nèi)旋流摻混變冷后排出管外，形成所謂的“短路流”。據(jù)此，SCVT的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可視為一系列沿?zé)岫斯芊较蛄髁坎粩嗨p的“短路流”，并沒有出現(xiàn)RHVT常見的“循環(huán)流”[8]。盡管本文將軸向速度逆轉(zhuǎn)點(diǎn)構(gòu)成的包絡(luò)面定義為“能量分離界面”，由于“短路流”的存在，在能量分離界面處也發(fā)生了傳質(zhì)現(xiàn)象。因此，“能量分離界面”實(shí)質(zhì)是熱、質(zhì)雙重傳遞界面，該界面是SCVT流場(chǎng)的重要特征。

圖4 SCVT縱剖面流線分布圖

4.1 切向運(yùn)動(dòng)

氣體在渦流管內(nèi)之所以呈現(xiàn)出能量分離效應(yīng)，在于其高速螺旋運(yùn)動(dòng)所形成的“渦”，故而切向速度成為衡量渦流管流場(chǎng)特性的重要指標(biāo)。根據(jù)切向速度大小產(chǎn)生的離心力，直接影響旋流的能量分離效率。SCVT氣體的切向速度（v切）如圖5所示。圖5-a所示為不同無量綱軸向位置處切向速度的徑向分布，切向速度在渦流管軸心處最?。◣缀鯙?），沿徑向方向逐漸增大，在管壁附近達(dá)到最大值，然后由于管壁摩擦的影響迅速趨近于0。不同截面達(dá)到切向速度峰值的徑向位置基本相同，但峰值大小與截面的軸向位置密切相關(guān)，截面距渦流室距離越近，峰值越高，表明氣體旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的強(qiáng)度也越高。圖5-b所示為不同無量綱徑向位置處切向速度的軸向分布，除軸心線的切向速度趨近于0外，其他切向速度沿軸向近似呈負(fù)指數(shù)趨勢(shì)衰減，說明SCVT的能量分離效果主要集中在靠近渦流室的前半段，這同RHVT的氣體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一致的[8-9]。然而，當(dāng)SCVT用作對(duì)天然氣管道調(diào)壓裝置的先導(dǎo)氣體加熱時(shí)，適當(dāng)增長(zhǎng)軸向距離，盡管管壁溫度在后半段趨于穩(wěn)定甚至略微下降，不能提高與先導(dǎo)氣體之間的溫差，但可以延長(zhǎng)熱端管“高溫”部分的長(zhǎng)度，增大同先導(dǎo)氣體之間的換熱面積，進(jìn)而提高SCVT的加熱性能，故而SCVT設(shè)計(jì)的熱端管的管長(zhǎng)與管徑比一般比RHVT高出許多，在本研究中達(dá)到了30。需要特別指出的是，本文在FLUENT的k-ε湍流模型中，選擇了標(biāo)準(zhǔn)管壁函數(shù)，在r/R=1處切向速度的模擬結(jié)果并不總是為0。從圖5-b中可以看出，在靠近渦流室的強(qiáng)旋湍流區(qū)域，r/R=1.00處的切向速度明顯高出了管中心（r/R=0）的切向速度，但仍顯著低于r/R=0.25等其他徑向位置的切向速度。

圖5 SCVT氣體的切向速度圖

4.2 軸向運(yùn)動(dòng)

圖6給出了SCVT氣體的軸向速度（v軸）分布。由圖6可以看出，渦流場(chǎng)在徑向上存在軸向速度為0的滯止點(diǎn)，不同滯止點(diǎn)的徑向位置相同，其連線構(gòu)成了軸向零速度包絡(luò)面，與圖4中的能量分離界面相對(duì)應(yīng)。包絡(luò)面兩側(cè)的氣體內(nèi)旋流和外旋流的軸向速度相反，內(nèi)旋流的軸向速度與出口方向一致，距管中心越近，軸向速度越大；外旋流的軸向速度與出口方向相反，距管壁越近，軸向速度越大，如圖6-a所示。內(nèi)、外旋流軸向速度的絕對(duì)值沿軸向距離近似呈指數(shù)趨勢(shì)衰減，在管道軸向較遠(yuǎn)處漸進(jìn)趨于0。距渦流室越近，徑向方向的軸向速度差別越大，通過零速度包絡(luò)面的能量交換強(qiáng)度也越高。能量交換大部分集中在Z/L小于0.5區(qū)域內(nèi)，如圖6-b所示。這是同渦流場(chǎng)的流線特征相吻合的。

此外，氣體在渦流管內(nèi)作三維螺旋運(yùn)動(dòng)，徑向運(yùn)動(dòng)也是渦流管熱質(zhì)傳遞的主要途徑之一，模擬結(jié)果表明：徑向速度遠(yuǎn)小于切向速度和軸向速度。這是單流渦流管特殊的幾何構(gòu)型所造成的。

4.3 壓力分布

渦流管內(nèi)氣體的靜壓（p）分布規(guī)律與其運(yùn)動(dòng)特征密切相關(guān)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生徑向壓差，軸向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生軸向壓差，如圖7所示。由于高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，氣體靜壓由管壁向管中心不斷降低，距渦流室越近，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈，管壁與管中心的靜壓壓差就越大。當(dāng)r/R＜0.72時(shí)，靜壓沿軸向不斷增大，在負(fù)壓差推動(dòng)下，該區(qū)域內(nèi)氣體以旋流方式流出渦流管；同理，當(dāng)r/R＞0.72時(shí)，靜壓沿軸向逐漸減小，該區(qū)域內(nèi)氣體以旋流方式流進(jìn)渦流管；當(dāng)r/R≈0.72時(shí)，氣體在不同軸向位置處的靜壓相等，由于沒有差壓驅(qū)動(dòng)，該徑向位置處的軸向速度為零，這是與圖4的能量分界面和圖6的零速度包絡(luò)面相一致的。此外，從靜壓分布特征的角度，再次驗(yàn)證了渦流管的能量交換主要集中在靠近渦流室的前半段。

4.4 溫度分布

徑向位置上的溫度分離是渦流管內(nèi)能量分離的顯著特征，如圖8所示。在徑向位置r=0.96R處，出現(xiàn)了靜溫的最低值，這是由于該位置處的切向速度最大所導(dǎo)致的。在徑向位置r=R即管壁處，靜溫達(dá)到最高值，這對(duì)利用渦流管外壁加熱天然氣管道調(diào)壓閥的先導(dǎo)氣體非常有利。徑向位置的溫度偏差最大在10 K左右，并隨著軸向距離的增大而不斷縮小，在軸向位置Z大于0.5L處，溫度基本不再隨徑向位置變化，管壁溫度維持在高溫狀態(tài)。在渦流室內(nèi)，氣流經(jīng)噴嘴節(jié)流后發(fā)生整體溫度降低，降幅在8 K左右，沿?zé)岫斯茌S向，內(nèi)、外旋流經(jīng)過一系列復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，溫度近似呈指數(shù)趨勢(shì)升高，使氣體在經(jīng)噴嘴節(jié)流降溫后快速升高并維持較長(zhǎng)的“高溫段”距離，具備良好的加熱能力。與軸向溫度的變化幅度相比，徑向溫度的差別較小，即使在渦流室附近區(qū)域變化也不明顯。在出口端，內(nèi)外旋流摻混在一起，經(jīng)過二次節(jié)流后排出渦流管外，此時(shí)氣體發(fā)生比噴嘴節(jié)流更大的溫降，降溫幅度高達(dá)20 K，存在水合物堵塞渦流管通道的風(fēng)險(xiǎn)。UVI采用在熱端管末端將部分高溫外旋流氣體，引到渦流室來抑制水合物生成，但該氣流的流量無法調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致工況的適應(yīng)能力受到一定程度的限制。

圖6 SCVT氣體的軸向速度圖

圖7 SCVT氣體的靜壓圖

圖8 SCVT氣體的靜溫圖

5 結(jié)論

采用FLUENT模擬軟件，對(duì)甲烷氣體在SCVT內(nèi)的流動(dòng)與傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算模型的合理性。在借鑒前人關(guān)于RHVT研究成果的基礎(chǔ)上，揭示了SCVT流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布特性，得出的主要結(jié)論如下。

1）標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型比較適合描述完全湍流的流動(dòng)過程，能夠滿足對(duì)SCVT內(nèi)強(qiáng)旋流場(chǎng)的預(yù)測(cè)精度需要。

2）SCVT的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)存在平行于管中心的能量分離界面，界面上的軸向速度為0。靜壓不隨軸向位置變化，界面兩側(cè)的內(nèi)、外旋流的軸向速度相反，在該界面上同時(shí)發(fā)生熱、質(zhì)雙重傳遞。整體流場(chǎng)由一系列沿?zé)岫斯芊较蛄髁坎粩嗨p的“短路流”構(gòu)成。

3）在靠近渦流室的前半段，徑向方向的靜壓、靜溫、切向速度和軸向速度差異較大，能量分離效果顯著。靜溫在管壁處最高，并沿著熱端管方向近似呈指數(shù)趨勢(shì)升高，較大的熱端管長(zhǎng)徑比增大了與被加熱氣體之間的換熱面積，有利于提高SCVT的加熱性能。