天然气超音速分离流喷管的特性研究

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1、第36卷第12期华电技术Vo1．36No．122014年12月HuadianTechnologyDel3．20l4天然气超音速分离流喷管的特性研究张春林(江苏华电昆山热电有限公司，江苏昆山215300)摘要：建立了天然气超音速分离流喷管的三维模型，应用流体动力学软件CFX对喷管的内部流场进行数值模拟，得到内部流场的马赫数、温度、速度和压力分布云图，研究了喷管喉部结构参数对喷管内部流场的影响，揭示了喉部结构参数变化对超音速流动的影响机制。关键词：天然气超音速分离流喷管；数值模拟；喉部结构参数；计算模型中图分类号：TH138．82：11P3l文献标志码：A文章编号：1674—1951(2014)

2、12-0017—031问题的提出2数值模拟方法天然气作为一种绿色环保能源的地位越来越突2．1模型建立出，在天然气的运输过程中，天然气中的水蒸气容易喷管内天然气的流动区域作为数值模拟的计算凝结成液态水，当天然气中的酸性气体硫化氢等溶区域，建立天然气超音速分离流喷管模型，三维喷管于水中时，会形成酸性溶液腐蚀设备。在一定压力模型如图2所示。本文设置喉部直径分别为13．0和温度下，天然气和液态水形成天然气水合物，容易mm和13．5mm的2种规格的喷管，标号分别为A堵塞阀门和管线。利用喷管的超音速分离技术进行喷管和B喷管，2种喷管除了喉部结构尺寸不同外，天然气脱水是防止酸性溶液和天然气水合物形成的其他

3、尺寸相同。有效措施，因此，有必要对天然气超音速分离流喷管进行详细研究。通过分析喉部结构参数变化对天然气超音速的影响，确保喷管在喉部达到音速，进而提高到超音速，利用天然气和水的物性不同达到超音速分离的作用。对该装置进行研究，对于下游的天然气节流降压、分离脱水等环节具有重要意义。天然气超音速分离器主要由漩涡发生器、超音O010500．100速分离流喷管和扩压器等部分组成。本文对天然气入超音速分离器的关键部件天然气超音速分离流喷管图2天然气超音速分离流喷管模型进行模拟研究，天然气超音速分离流喷管几何形状2．2计算模型控制方程如图1所示。按流体流动方向，可将天然气超音速通过求解Navier—Stok

4、es方程，对超音速分离分离流喷管分为入口段、拉伐尔喷管段和出口段3流喷管内部流场进行模拟分析，采用三维不可压缩、个部分。拉伐尔喷管段包括收缩段、喉部和扩散段。在流体流动过程中，收缩段速度不断提高，在喉部达稳态、湍流模型，控制方程如下。到音速，随之在扩散段继续加速，达到超音速流动状(1)质量守恒方程态(如图1所示)。a+d+：0．(1)ya式中：p为液体密度；为方向速度；为Y方向速度；为z方向速度。(2)x，y，z方向的动量方程分别为鱼(+a(puv)一+鱼(些2：图1天然气超音速喷管几何形状一+8xa’aza收稿日期：2014—10—01；修回日期：2014—10—20(divU+2叼)+专

5、【叼(ax+嚣)]+·18·华电技术第36卷[(警+)】，(2)兰望上++竺：一旦+Ox亡}OzOy未[叼(Ox+)】+(div+2叼)+[叼(+)】'(3)o(puw)+o(pvw)O(pww)一+一：一塑+~3xOyOzOz[叩(警+)]+叼(警+)]+图3喷管网格划分~0z(A-div+2叼)，(4)3数值模拟结果及分析式中：P为压力；A为流体第2分子黏度；U为速度矢利用CFX软件对喉部直径为13．5mm和13．0量，在3个坐标上的分量分别为u，，W；divU为速度mm的拉伐尔喷管A和B进行模拟，模拟收敛曲线矢量的散度；7／流体的动力黏度。分别如图4所示。设置收敛标准为质量方程、动量(

6、3)能量方程方程残差小于1O～，可以看出2种不同喉部结构的鱼【2+．+宣(J：一Ddi、，U+模型都达到了收敛标准。axddz喷管的马赫数、速度和温度云图变化如图5所div(AgradT)++Sh，(5)示。A喷管的云图显示有规律的梯度分布，而B喷式中：h为流体比焓；A为流体的导热系数；为耗管出口段云图出现了明显的跳跃变化，可见喉部结散函数；S为流体的内热源；gradT为热力学温度构参数对流场分布的影响很大。A喷管和B喷管的的温度梯度。最大马赫数均大于1，说明在喷管内的天然气达到(4)湍流方程。湍流模型采用工程计算中超音了超音速，从马赫数和速度分布云图可知，A喷管的速广泛应用的剪切应力输运(

7、SST)k一湍流方程天然气在收缩段速度不断增大，在喉部达到音速，接模型，其中的k方程和∞方程限于篇幅需要不再着在扩散段继续增大，达到超音速，在出口段，横截赘述。面面积增大且速度减小。B喷管的天然气在收缩段2．3网格划分及边界条件速度不断增大，在喉部达到音速，接着在扩散段继续数值模拟的网格质量影响计算结果的精确性和增大，达到超音速。在出口段，由于受回流的影响，收敛性，利用高质量网格划分软件ICEM对拉伐尔在出口