水平管内甲烷超临界压力加热的数值模拟.pdf

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1、第42卷第3期化工机械429水平管内甲烷超临界压力加热的数值模拟郑伟业+陈斌栾辉宝夏晓宇王崧(中国船舶重工集团公司第七一一研究所)摘要以甲烷为研究对象，采用CFD数值模拟二维水平管内超临界压力甲烷加热情况下的传热性能，分析了热流密度、质量流速和进口温度对其传热性能的影响规律，结果表明：当进12"温度和质量流速一定时，随着热流密度的增加壁温增大，而表面传热系数减小；当进口温度和壁面热流密度一定时，表面传热系数随质量流速的增大而增大；当质量流速和壁面热流密度一定时，表面传热系数随进口温度的增大而增大。关键词甲烷液化一压

2、缩天然气超临界压力数值模拟中图分类号TQ042文献标识码A文章编号0254-6094(2015)03-0429-03天然气因其燃烧清洁、储量巨大被广泛应用于工业生产、交通运输及航空航天等领域⋯。在天然气加气站中，液化一压缩天然气(L—CNG)加气站将液化天然气(LNG)经高压液体泵加压汽化后向CNG汽车加气¨。。因L．CNG加气站有占地小、投资省、能耗低、噪音小、充装速度快及不依赖管网等优势而成为一种备受欢迎、具有良好发展前景的加气站类型。相对于传统通过气体压缩机来提高压力的CNG加气站，L-CNG加气站的高压是通

3、过低温高压泵实现的。在相同质量流量和压缩比的条件下，低温高压泵的投资、能耗和占地面积均远小于气体压缩机。L—CNG系统中的气化处于超临界压力状态，管内LNG的气化在低温、高压的条件下进行，因LNG低温且易燃易爆，目前国内外鲜见对其超临界试验研究的报道。ChenDS和ShiYM研究了亚临界情况下LNG的沸腾传热性能¨。。超临界流体的换热规律具有特殊性，当其压力接近临界压力时，单相强迫对流换热规律不成立；而当其温度在准临界温度附近时，传热系数与普通单相强迫对流相比有时增高，有时降低。这种传热的“强化”和“恶化”促使学者

4、对其机理进行探究。目前国内对超临界流体的研究以CO：冷却}郑伟业，男，1986年3月生，工程师。上海市，201108。换热为主H“1，关于甲烷在超临界压力下的流动和传热研究十分有限，且大多为冷却换热的数值模拟口’引。笔者采用CFD数值模拟分析超临界压力下壁面热流密度、质量流速和进口温度对水平管内甲烷加热换热特性的影响规律。1数值求解方法1．1物理模型笔者选用的圆管直径为4mm，总长度为2000mm。Fluent计算中取二维模型，在ANSYSICEM中建立圆管模型并划分网格，网格单元总数为694861。1．2控制方程

5、与求解方法采用SST湍流模型∽1，忽略重力的影响，表面施加恒热流密度边界条件，进口设置为Massflowrate，出口设置为Outflow。质量守恒、动量守恒和能量守恒的通式可写成：旦三罟乎土+div(p刁咖)=div(厂十grad咖)+s4式中

6、s。——源项；小——全局变量；厂。——扩散系数。采用Simplec算法求解压力和速度耦合方程，采用Quick算法离散动量和能量方程，采用一430化工机械2015正阶迎风格式离散湍动能和湍流耗散方程，动量、能量、湍动能和湍流耗散的松弛因子分别取0．70、0．99、0．80、

7、0．80。物性(密度、比热、粘度和导热系数)利用NIST软件计算并采用Piece-linear法输入。计算结束后输出沿管长方向的壁温r。和流体温度n分布。局部表面传热系数h．的计算式为：h．=qw／(T。一Tb)式中g。——热流密度。2模型的验证笔者选取文献[9]中图9a液氮的工况，采用相同的结构参数，利用ANSYSICEM划分网格，并用ANSYSfluent进行求解，得到不同进口温度r；、热流密度q。和进口质量流速G下的壁温模拟值与试验值对比(图1)，由图1可知，模拟所得结果与试验结果一致性较好。棚对距离(x／L

8、)图1壁温模拟值与试验值对比3影响因素分析笔者选取甲烷工作压力5MPa，进口温度160～190K，进口质量流速100～400kg／(m2·s)，加热段的热流密度为40～160kW／m2。3．1热流密度进口温度180K、质量流速400kg／(m2·S)时，热流密度对壁温和表面传热系数的影响如图2所示。图2a中壁温均大于准临界温度，且随着热流密度的增大而升高；图2b中的竖直线表示流体温度达到准临界温度，竖直线左侧流体温度低于准临界温度，右侧流体温度高于准临界温度。由图2b可知，表面传热系数随着热流密度的增大而减小；对于

9、确定的热流密度，表面传热系数呈现先增大后减小的趋势；在准临界温度附近，流体温度超过准临界温度的相对距离随着热流密度的增大而减小。a．壁温b．表面传热系数图2热流密度对壁温和表面传热系数的影响3．2质量流速进口温度180K、壁面热流密度100kW／m2时，质量流速对表面传热系数的影响如图3所示。从图3可知，表面传热系数随质量流速的增大而增大。这是由于当质量流速