結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三維拉伐爾噴管流場(chǎng)分布影響的數(shù)值模擬

袁 培 許旺龍 呂彥力 付云飛 鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院

結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三維拉伐爾噴管流場(chǎng)分布影響的數(shù)值模擬

袁 培 許旺龍 呂彥力 付云飛 鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院

采用流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS CFX，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維拉伐爾噴管的流體流場(chǎng)分布影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到噴管內(nèi)天然氣流場(chǎng)的分布曲線。分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)拉伐爾噴管內(nèi)流體流場(chǎng)分布的影響，并對(duì)不同的噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行均勻設(shè)計(jì)，選出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究結(jié)果表明：噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)噴管流場(chǎng)有不同程度的影響，入口直徑對(duì)流體的流場(chǎng)分布影響較小，喉部直徑和出口直徑對(duì)噴管內(nèi)流場(chǎng)分布的影響很大。通過均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)可知，在一定的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)，拉伐爾噴管的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)；數(shù)值模擬；均勻設(shè)計(jì)

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(jié)為液態(tài)水，當(dāng)天然氣中的酸性氣體硫化氫和二氧化碳等溶于液態(tài)水中時(shí)，形成酸性溶液，會(huì)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(shù)對(duì)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(duì)噴管的超音速分離技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究，通過數(shù)值模擬，得出了超音速噴管內(nèi)部流動(dòng)參數(shù)和凝結(jié)參數(shù)的變化規(guī)律，以及超音速噴管幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)超音速分離效果的影響規(guī)律。文闖等[4]研究了噴管的收縮比、收縮半角和擴(kuò)張半角對(duì)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(shí)，改善效果不明顯，擴(kuò)張半角對(duì)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(jié)構(gòu)參數(shù)的拉伐爾噴管中對(duì)空化效果的影響，結(jié)果表明，在幾個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中，喉部直徑的改變對(duì)噴管空化特性的影響最大。

雖然有不少學(xué)者對(duì)天然氣分離技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，但是針對(duì)噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴管內(nèi)部流場(chǎng)影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究的還很少。本文對(duì)天然氣超音速分離器噴管的關(guān)鍵部件拉伐爾噴管進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)拉伐爾噴管的流體流場(chǎng)分布影響權(quán)值，可為噴管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，節(jié)省噴管實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)耗費(fèi)的大量人力、物力，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 模型描述

拉伐爾噴管由收縮段、喉部和擴(kuò)張段組成，收縮段采用維托辛斯基曲線設(shè)計(jì)，擴(kuò)張段采用錐形管設(shè)計(jì)，錐角在8°～12°范圍內(nèi)，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(wǎng)格劃分

采用高質(zhì)量網(wǎng)格劃分軟件ANSYS ICEM對(duì)拉伐爾噴管模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（具體采用O型網(wǎng)格技術(shù)、SST湍流模型和六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分），加密噴管壁面邊界層，流體介質(zhì)設(shè)置成和天然氣物性參數(shù)相同的理想氣體，網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 噴管網(wǎng)格劃分

入口邊界：質(zhì)量流量入口邊界設(shè)置為0.93 kg/s；出口邊界：outlet邊界；壁面：絕熱壁面。

2 模擬結(jié)果與分析

利用CFX軟件對(duì)拉伐爾噴管進(jìn)行模擬。設(shè)定殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-5，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的模擬結(jié)果均滿足質(zhì)量、動(dòng)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(rèn)為數(shù)值求解高度收斂。

2.1 入口直徑對(duì)流場(chǎng)的影響

入口直徑Di影響拉伐爾噴管的流場(chǎng)分布。分別對(duì)Di為65、70、75、30和110 mm的拉伐爾噴管進(jìn)行模擬分析，其他參數(shù)設(shè)置：收縮段采用維托辛斯基曲線設(shè)計(jì)，擴(kuò)張段采用錐形管設(shè)計(jì)，收縮段長(zhǎng)度100 mm，喉部長(zhǎng)度1 mm，錐角設(shè)置為10°，喉部直徑Dt=13 mm，出口直徑Do=25 mm。對(duì)以上結(jié)構(gòu)參數(shù)的拉伐爾噴管進(jìn)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(guī)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(shì)一致，噴管內(nèi)的流體沿著軸向溫度不斷降低，出口的溫度最低。

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

2.2 喉部直徑對(duì)流場(chǎng)的影響

喉部直徑Dt影響拉伐爾噴管的流場(chǎng)分布。分別對(duì)Dt為12、13、14、6和20 mm的拉伐爾噴管進(jìn)行模擬分析，其它參數(shù)設(shè)置：收縮段采用維托辛斯基曲線設(shè)計(jì)，擴(kuò)張段采用錐形管設(shè)計(jì)（對(duì)不同喉部直徑，采用錐形管設(shè)計(jì)將使噴管擴(kuò)張段長(zhǎng)度發(fā)生變化），收縮段長(zhǎng)度100 mm，喉部長(zhǎng)度1 mm，錐角設(shè)置為10°，入口直徑Di=70 mm，出口直徑Do=25 mm。對(duì)以上結(jié)構(gòu)參數(shù)的拉伐爾噴管進(jìn)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(guī)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(shì)一致，噴管內(nèi)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(duì)比圖中流體溫度-軸線曲線可知：當(dāng)喉部直徑相差不大時(shí)，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(shí)，溫度在擴(kuò)張段下降很明顯。

2.3 出口直徑對(duì)流場(chǎng)的影響

出口直徑Do影響拉伐爾噴管的流場(chǎng)分布。分別對(duì)Do為20、25、30、15和35 mm的拉伐爾噴管進(jìn)行模擬分析，其它參數(shù)設(shè)置：收縮段采用維托辛斯基曲線設(shè)計(jì)，擴(kuò)張段采用錐形管設(shè)計(jì)（對(duì)不同出口直徑，采用錐形管設(shè)計(jì)將使噴管擴(kuò)張段長(zhǎng)度發(fā)生變化），錐角設(shè)置為10°，喉部直徑Dt=13 mm，出口直徑Do=25 mm。對(duì)以上結(jié)構(gòu)參數(shù)的拉伐爾噴管進(jìn)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(guī)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(shì)一致，噴管內(nèi)的流體沿著軸向溫度不斷降低，出口的溫度最低。

通過對(duì)比流體溫度-軸線曲線可知：不同出口直徑對(duì)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(shè)計(jì)

分析噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流場(chǎng)分布影響后，進(jìn)一步對(duì)噴管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取入口直徑、喉部直徑和出口直徑為3個(gè)影響因素，每個(gè)因素選取5個(gè)水平，如表1所示。按照均勻設(shè)計(jì)方法，對(duì)表1進(jìn)行均勻設(shè)計(jì)得到表2。

表1 噴管結(jié)構(gòu)因素及水平

表2 均勻設(shè)計(jì)

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(yàn)指標(biāo)，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(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4 結(jié)論

（1）噴管入口直徑變化對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)分布影響較小。相對(duì)于較大的入口直徑，小的入口直徑對(duì)溫度分布影響較大，在收縮段表現(xiàn)得較為明顯。

（2）噴管喉部直徑和出口直徑對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)分布影響明顯。小的喉部直徑對(duì)整個(gè)流場(chǎng)分布的影響十分明顯，大的喉部直徑對(duì)喉部擴(kuò)張段的流場(chǎng)分布影響很明顯，對(duì)收縮段的流場(chǎng)分布影響很?。怀隹谥睆阶兓瘜?duì)喉部和擴(kuò)張段的流場(chǎng)分布影響很明顯，對(duì)收縮段的流場(chǎng)分布影響很小，但出口直徑變化對(duì)溫度分布影響較小。

（3）通過均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在一定的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)，三維拉伐爾噴管的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J]．天然氣工業(yè)，2008（2）：136-138.

[2]何策,程雁,額日其太．天然氣超音速脫水技術(shù)評(píng)析[J]．石油機(jī)械，2006（5）：70-72.

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

[4]文闖,曹學(xué)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(xué)報(bào)，2011（1）：150-154.

[5]劉雪東,劉佳陽,朱小林，等．結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)拉伐爾噴管空化特性影響的數(shù)值模擬[J]．常州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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(yè)于西安交通大學(xué)動(dòng)力工程及熱物理專業(yè)，鄭州輕工業(yè)學(xué)院任講師。

2015-05-19

基金論文：國(guó)家自然科學(xué)基金應(yīng)急管理項(xiàng)目（21446011）資助。

13700871823、yuantung@aliyun.com