安永偉 孫 晨 冀守虎 賈冠偉 許未晴 ,,2) 劉 偉 ,3) 周 亮 蔡茂林 ,

*(河南大學(xué)物理與電子學(xué)院，河南開封 475004)

?(國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

**(北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191)

??(氣動(dòng)熱力儲(chǔ)能與供能北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

***(正星氫電科技鄭州有限公司，鄭州 450000)

全球化石能源消耗占比高達(dá)83%[1]，導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境危機(jī)，影響人類生存。氫能是全球能源走向低碳化、清潔化，發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮姆腔茉粗?。全球氫能預(yù)計(jì)在2050年能源消耗占比增長(zhǎng)至18%[2]。許多國(guó)家積極探討氫能發(fā)展政策，并發(fā)布了國(guó)家的氫能發(fā)展戰(zhàn)略。我國(guó)化石能源消耗占比為74.5%[3]。依據(jù)構(gòu)建能源體系發(fā)展需求，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》等氫能發(fā)展政策保障促進(jìn)發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)氫能的高效利用[4]，確保完成“雙碳”任務(wù)。

利用可再生能源（水電、風(fēng)電、光電等）制氫是解決傳統(tǒng)制氫領(lǐng)域高碳排放的有效途徑。目前，我國(guó)可再生能源占全球可再生能源發(fā)電量的24.4%，位于首位[5]；同時(shí)，我國(guó)的電解水制氫的成本為2.6美元/kg，遠(yuǎn)低于日本的4.6美元/kg，成本優(yōu)勢(shì)和規(guī)模巨大。由于我國(guó)可再生能源主要集中于中西部地區(qū)，但電力和氫氣的使用主要集中于東南沿海地區(qū)，導(dǎo)致了氫氣生產(chǎn)、存儲(chǔ)、輸送及使用的不平衡和應(yīng)用困難[6]。拖車運(yùn)氫是一種主要的輸氣方式，但超過(guò)150 km，其輸送成本增高，不適合大規(guī)模輸送?，F(xiàn)役天然氣管網(wǎng)是解決當(dāng)前氫氣大規(guī)模、長(zhǎng)距離輸送的可行方式，也是氫氣輸送方式的研究熱點(diǎn)[7]。我國(guó)在役天然氣管道長(zhǎng)度高達(dá)1.1×105km[8]，為氫氣的輸送提供設(shè)備基礎(chǔ)并且輸送成本也會(huì)逐漸降低[9]。然而，由于氫氣擴(kuò)散性較高，氫氣在天然氣管道中泄露速度是天然氣泄露速度的3倍，且泄露速度受多種因素影響也會(huì)增加[10-11]，管線鋼易腐蝕發(fā)生氫脆進(jìn)而泄露[12]。目前鑒于天然氣摻氫多集中于摻混熱值的研究，對(duì)天然氣摻氫比例及氫濃度分布的研究不多，因此，對(duì)國(guó)內(nèi)天然氣摻氫現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)歸納。張立業(yè)等[13]綜述了天然氣摻氫隨動(dòng)摻氫系統(tǒng)類型及氣體傳感器對(duì)氣體種類、濃度的測(cè)量，并通過(guò)國(guó)家電投朝陽(yáng)天然氣摻氫示范項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)8.8%隨動(dòng)摻氫比例。

氫氣和天然氣密度差異可能引起流動(dòng)分層，使氫氣在管道中濃度分布不均，在局部形成氫氣的聚集，影響摻氫管道輸送的安全性，引起國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。許未晴等[14]對(duì)管道摻氫中氫脆現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)研究，介紹了氫脆現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理，對(duì)影響管道氫脆的因素總結(jié)，重點(diǎn)探討了摻氫輸送系統(tǒng)中管道、閥門、儲(chǔ)存裝置等部件的氫脆現(xiàn)象。Kong等[15]使用內(nèi)置旋流器的螺旋靜態(tài)混合器以減小流動(dòng)的分層，對(duì)摻混氣體甲烷和氫氣混合過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真，并采用空氣和氦氣模擬甲烷和氫氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。不過(guò)，該混合器有著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、流阻大等缺陷，限制了實(shí)際應(yīng)用。吳嫦[16]實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了直立管中天然氣與氫氣混合且靜置后無(wú)分層現(xiàn)象，但未揭示其機(jī)理。Tabkhi等[17]提出了一種天然氣管網(wǎng)數(shù)學(xué)建?？蚣?，研究不同摻氫比傳輸能量的變化，發(fā)現(xiàn)并確定最大摻氫比為6%。Guandalini等[18]建立模型模擬管路中氣體的傳輸，發(fā)現(xiàn)摻氫會(huì)導(dǎo)致流體密度和速度發(fā)生變化，使得傳輸能量降低，摻氫比為5%時(shí)管網(wǎng)壓力下降0.1%。Hafsi等[19]提出了天然氣網(wǎng)注氫效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，探究注氫對(duì)天然氣流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)注入氫氣會(huì)使管道內(nèi)壓降值升高，氣體流速上升。Wiitkowski等[20]通過(guò)改變摻氫比例，探究氫氣在兩種管路中的最大安全輸送距離，在內(nèi)徑0.15 m長(zhǎng)度1.0×104m和內(nèi)徑1 m長(zhǎng)度1.0×105m的管路中，最大安全輸送距離分別為15 320 m和130 146 m。以上文獻(xiàn)對(duì)摻氫比進(jìn)行了研究，但對(duì)摻氫后氣體流動(dòng)過(guò)程中天然氣和氫氣濃度分布沒有詳細(xì)的分析。

鑒于天然氣摻氫多集中于摻混熱值和摻混比例的研究，但在役天然氣管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，摻氫后流動(dòng)特性復(fù)雜。對(duì)于天然氣摻氫后混氣均勻性，天然氣管路中氫氣低速區(qū)和氫氣聚集區(qū)研究較少。相關(guān)特性對(duì)于精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)摻氫天然氣濃度，為隨動(dòng)摻氫控制提供準(zhǔn)確的反饋數(shù)據(jù)有著重要意義。此外，管路中氫氣聚集區(qū)域易出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，嚴(yán)重影響氫氣運(yùn)輸安全及管道壽命。因此，本文針對(duì)天然氣摻氫后的摻混效果開展模擬研究，其結(jié)果具有一定應(yīng)用指導(dǎo)意義。

1 摻混管路模型建立

為研究天然氣管道摻氫過(guò)程中的摻混情況，采用國(guó)家電投朝陽(yáng)天然氣摻氫示范項(xiàng)目管網(wǎng)的尺寸和氣體參數(shù)[13]。天然氣進(jìn)口管徑為80 mm，流量為130.98 m3/h，氫氣進(jìn)口管徑為25 mm，流量為14.55 m3/h。構(gòu)建了T型摻混管路模型和變徑摻混管路模型，通過(guò)這兩種模型及9個(gè)變徑模型對(duì)天然氣和氫氣濃度進(jìn)行對(duì)比研究。T型摻混管路模型和變徑摻混管路模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 摻混管路基本模型Fig.1 Basic model of blending pipeline

圖2 摻混管路變徑模型Fig.2 Variable diameter model of blending pipeline

1.1 T型摻混管路模型

T型摻混管路模型如圖1所示，具體參數(shù)如下：天然氣主管路內(nèi)徑為φ80 mm，摻混中心距出口長(zhǎng)度為6 000 mm，氫氣摻混管路位于主管路上方，垂直于主管路，管路內(nèi)徑為φ25 mm，長(zhǎng)度為250 mm，中心距離主管路入口為800 mm。

1.2 變徑摻混管路模型

變徑摻混管路模型如圖2所示，即在T型摻混管路模型中，增加一段與主管內(nèi)徑不同的直管，通過(guò)流動(dòng)截面的突擴(kuò)與突縮，強(qiáng)化摻混效果。具體參數(shù)如下：天然氣主管路內(nèi)徑為φ80 mm，氫氣摻混管路位于主管路上方，垂直于主管路，氫氣管路內(nèi)徑為φ25 mm，長(zhǎng)度為250 mm，中心距出口長(zhǎng)度為6 000 mm。圖2中參數(shù)對(duì)應(yīng)變徑摻混管路模型的基準(zhǔn)參數(shù)，即變徑開始位置s= 900 mm，內(nèi)徑D= 160 mm，長(zhǎng)度l= 100 mm，相應(yīng)參數(shù)的影響將在下文詳細(xì)介紹。

2 數(shù)學(xué)模型

天然氣和氫氣在摻混過(guò)程中及在管道流動(dòng)中的連續(xù)性方程

其中，ρ為氣體的密度，u為氣體的流速，t為流動(dòng)時(shí)間。

摻混過(guò)程中及在管道流動(dòng)中的動(dòng)量方程

其中，p為靜壓，g為重力加速度，F(xiàn)為除重力外的外部體積力，τ為黏性剪切應(yīng)力張量。鑒于摻混流動(dòng)總是處于湍流狀態(tài)，本文采用標(biāo)準(zhǔn)k–ε湍流模型模擬湍流輸運(yùn)特性。

摻混過(guò)程中及在管道流動(dòng)中的能量方程為

其中，E為能量，T為溫度，keff為有效傳熱系數(shù)，τeff為有效黏性剪切應(yīng)力張量。

天然氣和氫氣在摻混過(guò)程中及在管道流動(dòng)中相互擴(kuò)散，通過(guò)對(duì)第i種氣體對(duì)流擴(kuò)散方程的求解來(lái)預(yù)測(cè)每個(gè)氣體的局部質(zhì)量分?jǐn)?shù)Yi。該守恒方程的一般形式為

在氣體摻混過(guò)程中，由濃度和溫度梯度引起的第i種氣體的擴(kuò)散通量表達(dá)式為

其中，Di,m為在混合氣體中第i種氣體組分的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，DT,i為熱擴(kuò)散系數(shù)。

其中，Xi為第i種氣體的摩爾分?jǐn)?shù)，Dij為氣體混合物的溫度常數(shù)或多項(xiàng)式函數(shù)。

由于天然氣摻氫的過(guò)程中，天然氣和氫氣遵循理想氣體狀態(tài)方程，由于壓力、流量的變化，其摻混氣體的濃度或密度會(huì)產(chǎn)生變化，具體的表達(dá)式為

其中，pop為摻混氣體的工作壓力，p為相對(duì)于pop的局部相對(duì)壓力，R為氣體常數(shù)，Mw為氣體的分子量，T為氣體的溫度。

3 管路模型網(wǎng)格劃分

仿真模擬天然氣和氫氣摻混并在管道中流動(dòng)時(shí)，F(xiàn)luent的計(jì)算精度取決于網(wǎng)格的密度。通常情況下，網(wǎng)格密度越大，仿真結(jié)果精度就高，但同時(shí)要使用更多計(jì)算資源和更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。采用網(wǎng)格無(wú)關(guān)驗(yàn)證即可以保證計(jì)算結(jié)果的精度，又可以節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間。因此，本文網(wǎng)格劃分采用低、適中、高密度三種形式來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)驗(yàn)證，如表1所示。以適中的網(wǎng)格特征為參考，通過(guò)T型和變徑混管路模型的低密度網(wǎng)格和高密度網(wǎng)格計(jì)算，得出出口氫氣摩爾分?jǐn)?shù)的波動(dòng)量分別為–2.6%～4.9%和0.6%。通過(guò)計(jì)算波動(dòng)量可以排除網(wǎng)格密度對(duì)仿真結(jié)果的精度影響；同時(shí)，網(wǎng)格無(wú)關(guān)也得到了驗(yàn)證。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性說(shuō)明Table 1 Grid independence specification

因此，T型和變徑摻混管路模型均以四面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格設(shè)置為8 mm，以便更清楚計(jì)算出流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。T型摻混管路模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為99 004個(gè)，單元數(shù)為510 457個(gè)，如圖3所示；變徑摻混管路模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為101 075個(gè)，單元數(shù)為519 109個(gè)，如圖4所示。

圖3 T型摻混模型網(wǎng)格Fig.3 Grid of T-type blending model

圖4 變徑模型網(wǎng)格Fig.4 Grid of variable diameter model

4 邊界條件設(shè)置

在Fluent中進(jìn)行邊界條件設(shè)置及仿真計(jì)算，將環(huán)境溫度設(shè)為298 K，兩個(gè)入口均為速度型入口，主管路入口速度為7.24 m/s（流量：131.0 m3/h），摻混管路入口速度為8.23 m/s（流量：14.6 m3/h），出口設(shè)置為自由流出。重力沿y軸負(fù)方向?yàn)?.8 m/s2，將穩(wěn)態(tài)改為瞬態(tài)仿真，壁面函數(shù)設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，主管路入口氣體為純天然氣，摻混管路入口氣體為純氫氣。初始化選擇混合初始化，將初始內(nèi)部工質(zhì)設(shè)為100%天然氣。

5 模型求解

5.1 T型摻混管路流場(chǎng)分析

對(duì)于T型摻混管路數(shù)值仿真結(jié)果，T型摻混管路橫截面速度和摻混處局部速度分布如圖5所示。從圖5可以看出，由于天然氣和氫氣的速度大小、方向均不相同，在摻混處發(fā)生摻混，兩股氣體交匯處，出現(xiàn)一個(gè)速度10 m/s左右的區(qū)域，即局部放大圖的紅色區(qū)域。在紅色區(qū)域右側(cè)靠近壁面位置，出現(xiàn)一個(gè)速度低于2 m/s的區(qū)域，即局部放大圖的藍(lán)色聚集區(qū)域，此后出現(xiàn)一段低速區(qū)，最初低速區(qū)占據(jù)了1/4管徑高度，速度為6 m/s，隨著摻混的進(jìn)行，低速區(qū)占比沿著主管路逐漸減少，并在距摻混中心600 mm處消失。此后主管路中心速度在9 m/s左右，由于管壁的阻力作用越靠近管壁速度越低。

圖5 氣體摻混后速度云圖Fig.5 Velocity distribution after gas blending

為更清晰觀察到天然氣摻氫的摻混效果，建立T型摻混管路橫截面，氣體摻混后天然氣組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖，如圖6所示，氣體摻混后氫氣組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖，如圖7所示。相比天然氣氣體，由于摻混氣體氫氣具有更輕的質(zhì)量，支管和主管路的速度大小和方向均不一樣。因此在T型摻混管路中，氫氣主要分布在主管路上半部分。在距摻混中心2 800 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯分層，寬度占據(jù)1/3管徑左右，隨著摻混距離的增加，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)和濃度逐漸降低，分層現(xiàn)象依然存在，但是氫氣所占管徑寬度逐漸減少。

圖6 氣體摻混后天然氣組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖Fig.6 Mole fraction distribution of natural gas component after gas blending

圖7 氣體摻混后氫氣組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖Fig.7 Mole fraction distribution of hydrogen component after gas blending

為探究摻混流動(dòng)過(guò)程中的氫氣濃度分布狀態(tài)，選用T型摻混管路剖面圖來(lái)表述摻混過(guò)程，分別選擇了距主管路入口1 m，2 m，3 m，4 m，5 m，6 m處天然氣和氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)云圖，如圖6和圖7所示。由于氫氣密度低，主要分布于主管路中上部，隨著摻混距離的增加，兩種氣體交匯處發(fā)生混合，氫氣分布區(qū)域發(fā)生外擴(kuò)，濃度進(jìn)一步降低。隨著距離的增加，管路中上部氫氣摩爾分?jǐn)?shù)逐漸降低，在主管路出口處，中上部氫氣摩爾分?jǐn)?shù)在20%以下。

摻混后，截面平均的天然氣和氫氣摩爾分?jǐn)?shù)隨摻混距離的變化如圖8和圖9所示，L表示距摻混中心的距離，x(CH4)表示甲烷摩爾分?jǐn)?shù)，x(H2)表示氫氣摩爾分?jǐn)?shù)。從距離摻混中心處0.1 ～2.2 m，天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)由最初的90.1%逐漸升高到93%，隨著摻混距離的增加呈上升趨勢(shì)；氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)由最初的9.9%降至7%，隨著摻混距離的增加呈下降趨勢(shì)。不過(guò)，隨著距離的增加，無(wú)論是天然氣還是氫氣，其摩爾分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)均明顯變緩，摻混管路出口氫氣占比為4.7%。

圖8 T型管路摻混后天然氣摩爾分?jǐn)?shù)Fig.8 Percentage distribution of natural gas component with T-type pipeline after gas blending

圖9 T型管路摻混后氫氣摩爾分?jǐn)?shù)Fig.9 Percentage distribution of hydrogen component with T-type pipeline after gas blending

5.2 變徑摻混管路流場(chǎng)分析

為探究在變徑摻混管路中最容易發(fā)生氫氣富集及其易引發(fā)氫脆的位置，構(gòu)建了10種變徑管路，如表2所示，通過(guò)改變變徑模型的幾何參數(shù)進(jìn)行仿真，其中s表示變徑距主管路入口的距離，D表示變徑的直徑，l表示變徑的長(zhǎng)度，x(H2)表示變徑處氫氣摩爾分?jǐn)?shù)。根據(jù)4.1節(jié)中T型摻混管路流場(chǎng)分析，因?yàn)闅錃獾兔芏龋栽诹鲃?dòng)過(guò)程中會(huì)漂浮在主管路上半部分，因此變徑處氫氣摩爾分?jǐn)?shù)只考慮變徑上半部分。

表2 變徑摻混管路幾何參數(shù)及結(jié)果Table 2 Geometric parameters and results of variable diameter type blending pipeline

以1號(hào)變徑管路作為基準(zhǔn)，固定變徑直徑、長(zhǎng)度，不斷改變變徑位置，得到2～5號(hào)變徑管路。對(duì)比前五個(gè)變徑管路，發(fā)現(xiàn)變徑處氫氣摩爾組分最高的是初始模型，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到40%～50%，2～5號(hào)變徑管路氫氣摩爾分?jǐn)?shù)隨著變徑位置的增加不斷降低，在10%～30%范圍內(nèi)。結(jié)果表明距離摻混中心越近，氫氣和天然氣混合的時(shí)間越短，變徑處氫氣摩爾分?jǐn)?shù)越高。確定最優(yōu)變徑位置后，以1號(hào)變徑管路作為初始管路，固定變徑位置，將變徑長(zhǎng)度變寬、變窄，將變徑直徑變高、變低，得到6～9號(hào)變徑管路，分析四種變徑管路輸出結(jié)果，發(fā)現(xiàn)變徑長(zhǎng)度變窄、直徑變低時(shí)變徑處氫氣摩爾分?jǐn)?shù)顯著升高。結(jié)合上述分析結(jié)果，以1號(hào)變徑管路作為初始管路，固定變徑位置，將變徑長(zhǎng)度變窄，直徑變低，得到10號(hào)變徑管路，仿真結(jié)果顯示變徑處氫氣摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到50%～60%，在10個(gè)變徑管路中占比最高，符合探究規(guī)律。下面對(duì)10號(hào)變徑管路開展進(jìn)一步具體研究。

以1號(hào)變徑管路作為基準(zhǔn)，固定變徑位置，將變徑長(zhǎng)度變窄，直徑變低，得到10號(hào)變徑管路，對(duì)于變低變窄變徑管路數(shù)值仿真結(jié)果，沿管長(zhǎng)截面速度分布以及摻混處和變徑處局部速度分布如圖10所示。由于變徑管路是在摻混管路上的延伸，僅僅對(duì)摻混處右側(cè)管路進(jìn)行修改，并未修改氣體的速度、工質(zhì)、方向等條件，因此變徑管路摻混處的速度分布與4.1節(jié)摻混管路分析結(jié)果一致，同樣出現(xiàn)紅色、藍(lán)色聚集區(qū)域。由于變徑的存在，大量氫氣注入上變徑中，低速區(qū)大大減少，由原來(lái)的600 mm縮短至150 mm。變徑處中心速度在8 m/s左右，越往外速度越低，易發(fā)生氫氣聚集。截面較好地表示了變徑邊緣處的速度，整體速度在1 m/s以下，圓環(huán)左壁面的速度較低，接近于0 m/s，可認(rèn)為是靜止點(diǎn)，越往右速度越高。兩種氣體經(jīng)過(guò)變徑后，在管路中心形成一個(gè)高速區(qū)，速度在9 m/s以上，持續(xù)了1 100 mm后消失，之后速度保持在8～9 m/s范圍內(nèi)。

圖10 氣體摻混后速度云圖Fig.10 Velocity distribution after gas blending

為更清晰地觀察到摻混結(jié)果，建立變徑摻混管路橫截面，摻混后天然氣組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖11所示，氫氣組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖12所示。在距摻混中心1 600 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯分層，寬度為1/3管徑，隨著摻混距離的增加，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)逐漸降低，占管徑寬度逐漸減少。由于氫氣密度低，主要分布在管路上半部分，因此只考慮上變徑摩爾分?jǐn)?shù)。在上變徑處氫氣摩爾分?jǐn)?shù)在50%～60%左右。

為探究變徑內(nèi)部氫氣分布狀態(tài)，選用變徑處剖面圖來(lái)表述摻混效果，分別選擇了變徑入口，中間、出口剖面圖，如圖11和圖12所示。從變徑入口至變徑出口，由于天然氣和氫氣的混合，變徑左壁面中上處的黃色區(qū)域被逐漸稀釋，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)不斷降低。但是變徑上方處的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)變化不大，始終維持在50%～60%。根據(jù)速度分布圖10所示，變徑處速度從左到右逐漸增加，因此最容易發(fā)生氫氣富集區(qū)域是變徑左壁面正上方，該區(qū)域不僅具有較高的氫氣濃度，而且速度也較低，接近靜止，進(jìn)而引發(fā)管道的氫脆。

摻混后，天然氣和氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)隨摻混距離的變化如圖13和圖14所示，L表示距摻混中心的距離，x(CH4)表示甲烷摩爾分?jǐn)?shù)，x(H2)表示氫氣摩爾分?jǐn)?shù)。距摻混中心0.09～0.1 m和0.149～0.15 m摩爾分?jǐn)?shù)變化較大，分別是進(jìn)入變徑、離開變徑所致。相比管路，變徑內(nèi)部氫氣濃度較高，因此出現(xiàn)較大變化。如果將管路和變徑分為兩個(gè)部分進(jìn)行分析，單獨(dú)看變徑或管路規(guī)律是一致的。從距離摻混處中心0.05～2.2 m，天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)由最初的87.8%逐漸升高到93.1%，呈上升趨勢(shì)。氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)由最初的12.2%逐漸降至6.9%，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)。主管路出口處天然氣、氫氣云圖如圖11和圖12所示，變徑摻混管路模型出口處氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)為4.8%。

圖11 氣體摻混后天然氣組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖Fig.11 Mole fraction distribution of natural gas component after gas blending

圖12 氣體摻混后氫氣組分摩爾分?jǐn)?shù)云圖Fig.12 Mole fraction distribution of hydrogen component after gas blending

圖13 摻混后天然氣摩爾分?jǐn)?shù)Fig.13 Percentage distribution of natural gas component after gas blending

圖14 摻混后氫氣摩爾分?jǐn)?shù)Fig.14 Percentage distribution of hydrogen component after gas blending

6 結(jié)論

為研究天然氣摻氫過(guò)程中在管道中的摻混效果和氫氣濃度的分布狀況，通過(guò)構(gòu)建T型和變徑摻混管路模型，基于Fluent對(duì)T型摻混管路和10種變徑摻混管路進(jìn)行數(shù)值模擬研究，重點(diǎn)研究了管路中氫氣組分、速度、聚集的規(guī)律，得出如下結(jié)論。

（1）對(duì)于T型摻混管路，氣體交匯處拐角存在速度為0的藍(lán)色區(qū)域。相比天然氣，氫氣密度低、質(zhì)量輕，摻混過(guò)程中氫氣主要分布在管路上方，在距摻混中心2 800 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯分層，即在管長(zhǎng)是管徑35倍處內(nèi)依然有一定分層，寬度占據(jù)1/3管徑左右。

（2）對(duì)于變徑管路，變徑段內(nèi)部速度較低，尤其是左壁面速度接近0，易引起氫氣富集進(jìn)而引起管道氫脆；窄細(xì)變徑模型容易發(fā)生氫氣聚集，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到50%～60%。

本文結(jié)果表明，氫氣和天然氣密度差導(dǎo)致流動(dòng)分層，存在混合不均勻的問題；通過(guò)混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以提高摻混均勻性。相關(guān)結(jié)果可對(duì)天然氣摻氫摻混效果和管道變徑選取提供參考，也為摻氫天然氣摻混濃度測(cè)量點(diǎn)位設(shè)置提供指導(dǎo)，對(duì)發(fā)展隨動(dòng)摻混技術(shù)具有指導(dǎo)意義。