結構參數對三維拉伐爾噴管流場分布影響的數值模擬

袁 培 許旺龍 呂彥力 付云飛 鄭州輕工業學院能源與動力工程學院

結構參數對三維拉伐爾噴管流場分布影響的數值模擬

袁 培 許旺龍 呂彥力 付云飛 鄭州輕工業學院能源與動力工程學院

采用流體動力學軟件ANSYS CFX，對不同結構參數的三維拉伐爾噴管的流體流場分布影響進行數值模擬分析，得到噴管內天然氣流場的分布曲線。分析結構參數對拉伐爾噴管內流體流場分布的影響，并對不同的噴管結構參數進行均勻設計，選出最優結構參數。研究結果表明：噴管結構參數變化對噴管流場有不同程度的影響，入口直徑對流體的流場分布影響較小，喉部直徑和出口直徑對噴管內流場分布的影響很大。通過均勻設計試驗可知，在一定的結構參數范圍內，拉伐爾噴管的最優結構參數是入口直徑Di=70 mm，喉部直徑Dt=6 mm，出口直徑Do=20 mm。

拉伐爾噴管；結構參數；數值模擬；均勻設計

引言

天然氣在開采、集輸和加工過程中，天然氣中的水蒸氣易凝結為液態水，當天然氣中的酸性氣體硫化氫和二氧化碳等溶于液態水中時，形成酸性溶液，會腐蝕和堵塞天然氣管線中閥門及儀表等裝置。利用噴管的超音速分離技術對天然氣脫水是防止酸性溶液和天然氣水合物形成的有效措施[1-2]。

宋婧[3]對噴管的超音速分離技術進行了詳細分析和研究，通過數值模擬，得出了超音速噴管內部流動參數和凝結參數的變化規律，以及超音速噴管幾何結構參數變化對超音速分離效果的影響規律。文闖等[4]研究了噴管的收縮比、收縮半角和擴張半角對天然氣超音速噴管分離性能的影響，增大收縮比和收縮半角可以有效改善噴管分離性能，但收縮半角大于30°時，改善效果不明顯，擴張半角對分離性能有顯著影響。劉雪東等[5]采用CFD方法模擬了水在不同結構參數的拉伐爾噴管中對空化效果的影響，結果表明，在幾個結構參數中，喉部直徑的改變對噴管空化特性的影響最大。

雖然有不少學者對天然氣分離技術進行了數值模擬研究，但是針對噴管結構參數對噴管內部流場影響進行數值模擬研究的還很少。本文對天然氣超音速分離器噴管的關鍵部件拉伐爾噴管進行數值模擬分析，研究不同結構參數對拉伐爾噴管的流體流場分布影響權值，可為噴管結構優化設計提供參考依據，節省噴管實驗設計耗費的大量人力、物力，提高經濟效益。

1 數值模擬方法

1.1 模型描述

拉伐爾噴管由收縮段、喉部和擴張段組成，收縮段采用維托辛斯基曲線設計，擴張段采用錐形管設計，錐角在8°～12°范圍內，此處采用10°。定義Di是噴管入口直徑，Dt是喉部直徑，Do是出口直徑。

1.2 網格劃分

采用高質量網格劃分軟件ANSYS ICEM對拉伐爾噴管模型進行網格劃分（具體采用O型網格技術、SST湍流模型和六面體結構化網格劃分），加密噴管壁面邊界層，流體介質設置成和天然氣物性參數相同的理想氣體，網格劃分如圖1所示。

圖1 噴管網格劃分

入口邊界：質量流量入口邊界設置為0.93 kg/s；出口邊界：outlet邊界；壁面：絕熱壁面。

2 模擬結果與分析

利用CFX軟件對拉伐爾噴管進行模擬。設定殘差收斂標準為10-5，不同結構參數的模擬結果均滿足質量、動量和能量殘差均小于10-5，且不平衡度曲線平緩，趨近于零，認為數值求解高度收斂。

2.1 入口直徑對流場的影響

入口直徑Di影響拉伐爾噴管的流場分布。分別對Di為65、70、75、30和110 mm的拉伐爾噴管進行模擬分析，其他參數設置：收縮段采用維托辛斯基曲線設計，擴張段采用錐形管設計，收縮段長度100 mm，喉部長度1 mm，錐角設置為10°，喉部直徑Dt=13 mm，出口直徑Do=25 mm。對以上結構參數的拉伐爾噴管進行模擬，得出流體的溫度分布。

流體溫度沿著噴管軸線的變化規律如圖2所示。

圖2 不同入口直徑噴管沿著噴管軸線方向的流體溫度分布

從圖2可以看出：沿著噴管軸向，不同入口直徑噴管的流體溫度分布趨勢一致，噴管內的流體沿著軸向溫度不斷降低，出口的溫度最低。

通過對比圖中流體溫度-軸線曲線可知：總體而言，不同入口直徑對溫度沿噴管軸向分布影響較小。相對于較大的入口直徑，小的入口直徑對溫度分布影響較大，在收縮段表現得較為明顯。

2.2 喉部直徑對流場的影響

喉部直徑Dt影響拉伐爾噴管的流場分布。分別對Dt為12、13、14、6和20 mm的拉伐爾噴管進行模擬分析，其它參數設置：收縮段采用維托辛斯基曲線設計，擴張段采用錐形管設計（對不同喉部直徑，采用錐形管設計將使噴管擴張段長度發生變化），收縮段長度100 mm，喉部長度1 mm，錐角設置為10°，入口直徑Di=70 mm，出口直徑Do=25 mm。對以上結構參數的拉伐爾噴管進行模擬，得出流體的溫度分布。

流體溫度沿著噴管軸線的變化規律如圖3所示。

從圖3可以看出：沿著噴管軸向，不同喉部直徑噴管的流體溫度分布趨勢一致，噴管內的流體沿著軸向溫度不斷降低，出口的溫度最低。

圖3 不同喉部直徑噴管在沿著噴管軸線方向的流體溫度分布

通過對比圖中流體溫度-軸線曲線可知：當喉部直徑相差不大時，如圖中喉部直徑為12，13和14 mm的噴管，噴管的溫度分布近似相等，且喉部直徑越小的噴管，溫度越高；喉部直徑很小或較大時，溫度在擴張段下降很明顯。

2.3 出口直徑對流場的影響

出口直徑Do影響拉伐爾噴管的流場分布。分別對Do為20、25、30、15和35 mm的拉伐爾噴管進行模擬分析，其它參數設置：收縮段采用維托辛斯基曲線設計，擴張段采用錐形管設計（對不同出口直徑，采用錐形管設計將使噴管擴張段長度發生變化），錐角設置為10°，喉部直徑Dt=13 mm，出口直徑Do=25 mm。對以上結構參數的拉伐爾噴管進行模擬，得出流體的溫度分布。

流體溫度沿著噴管軸線的變化規律如圖4所示。

圖4 不同出口直徑噴管在沿著噴管軸線方向的流體溫度分布

從圖4可以看出：沿著噴管軸向，不同出口直徑噴管的流體溫度分布趨勢一致，噴管內的流體沿著軸向溫度不斷降低，出口的溫度最低。

通過對比流體溫度-軸線曲線可知：不同出口直徑對流體溫度分布影響很大，出口直徑越小的噴管流體溫度下降速率越快，但出口溫度偏差較小。

3 均勻設計

分析噴管結構參數對流場分布影響后，進一步對噴管結構進行優化設計，采取入口直徑、喉部直徑和出口直徑為3個影響因素，每個因素選取5個水平，如表1所示。按照均勻設計方法，對表1進行均勻設計得到表2。

表1 噴管結構因素及水平

表2 均勻設計

從表2可知：低溫能夠得到較好的天然氣分離效果，以溫度作為試驗指標，入口直徑Di=70 mm，喉部直徑Dt=6 mm，出口直徑Do=20 mm的組合分離效果最好，可作為最優的結構參數。

4 結論

（1）噴管入口直徑變化對管內流場分布影響較小。相對于較大的入口直徑，小的入口直徑對溫度分布影響較大，在收縮段表現得較為明顯。

（2）噴管喉部直徑和出口直徑對管內流場分布影響明顯。小的喉部直徑對整個流場分布的影響十分明顯，大的喉部直徑對喉部擴張段的流場分布影響很明顯，對收縮段的流場分布影響很小；出口直徑變化對喉部和擴張段的流場分布影響很明顯，對收縮段的流場分布影響很小，但出口直徑變化對溫度分布影響較小。

（3）通過均勻設計試驗，在一定的結構參數范圍內，三維拉伐爾噴管的最優結構參數是入口直徑Di=70 mm，喉部直徑Dt=6 mm，出口直徑Do=20 mm。

[1]蔣文明,劉中良,劉恒偉，等．新型天然氣超音速脫水凈化裝置現場試驗[J]．天然氣工業，2008（2）：136-138.

[2]何策,程雁,額日其太．天然氣超音速脫水技術評析[J]．石油機械，2006（5）：70-72.

[3]宋婧．噴管超音速分離技術在氣體脫水中的應用研究[D]．北京：北京化工大學，2010：6.

[4]文闖,曹學文,張靜，等．基于旋流的天然氣超聲速噴管分離特性[J].石油學報，2011（1）：150-154.

[5]劉雪東,劉佳陽,朱小林，等．結構參數對拉伐爾噴管空化特性影響的數值模擬[J]．常州大學學報：自然科學版，2014（2）：43-47.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.015

袁培：博士，1982年畢業于西安交通大學動力工程及熱物理專業，鄭州輕工業學院任講師。

2015-05-19

基金論文：國家自然科學基金應急管理項目（21446011）資助。

13700871823、yuantung@aliyun.com