基于流體動力學的低溫液化過程數(shù)值模擬研究

林元載

（東南大學機械工程學院，南京211189）

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基于流體動力學的低溫液化過程數(shù)值模擬研究

林元載

（東南大學機械工程學院，南京211189）

摘要：本文通過計算流體計算動力學（CFD）方法同時模擬換熱器內天然氣的主要成分甲烷深冷液化和多相流動的過程，將氣相和液相甲烷看成混合物，通過混合物模型建立流體的動量守恒方程、連續(xù)性方程、體積守恒方程以及相間熱傳遞方程，采用針對流體自由面運動的立體體積函數(shù)（VOF）對相間邊界層進行追蹤。

關鍵詞：換熱器液化相變混合物模型VOF

引言

隨著各國環(huán)境保護意識的增強和世界能源結構在逐漸變化，天然氣成為最受歡迎的能源之一。換熱器中預冷和深冷液化液化天然氣重要的一個環(huán)節(jié)。這是一個涉及能量、熱量和質量傳遞的相變過程以及氣液兩相間界面的追蹤的過程。1981年，Hirts和Nichols［1］提出了VOF （Volume of Fluid）方法，并使用該方法對潰壩問題進行數(shù)值模擬，論證方法的可行性。該方法的相界面構造基本思想為運動界面追蹤問題的數(shù)值模擬起到了開創(chuàng)性的作用；1998年，Boris Halasz［2］從熱力學角度，以能量、動量、質量平衡為基礎，通過分析蒸發(fā)式冷凝器內傳熱傳質及流動阻力，總結出了當時所有類型的蒸發(fā)式冷卻裝置通用的數(shù)學模型。1988年，Osher和Sethian［3］提出Level Set（水平集）方法，較精確計算相界面曲率及相關的物理量。2015年，Li S［4］等人通過引入熱平衡模型，對亞音速蒸汽注入過冷池直接接觸冷凝進行數(shù)值模擬，結果表明在管出口軸向溫度隨軸向速度降低而升高和壓力震蕩主要受蒸汽流速、蒸汽冷凝和低溫冷卻水的靜壓力影響。

本文的主要目的對天然氣在換熱器管程中進行深冷液化的問題進行研究，分析在低溫環(huán)境下甲烷深冷液化的主要影響因素。本文采用CFX中多相流混合模型，模擬低溫環(huán)境下天然氣深冷液化的相變傳熱傳質過程，分析了不同因素對液化的影響及液化后的流型。

1 數(shù)值方法

1.1 幾何模型

由于在換熱器中管程通常為彎管結構，本文幾何模型采用“S”型彎管（如圖1所示）。模擬計算過程中，入口通入高溫甲烷氣體；氣體與管道壁面換熱，使管道中甲烷遇冷液化；出口處則為甲烷的氣液混合物。

圖1 幾何模型

1.2 控制方程

混合物模型［5］（Mixture）是一種簡化的多相流模型，它用平均速度的概念來模擬多相流中各相具有不同速度的情況。該模型能夠求解混合相的能量、動量和連續(xù)性方程，以及各相的體積分數(shù)、溫度、壓力等物理量。

對上述模型，通過建立動量守恒方程、連續(xù)性方程、體積守恒方程以及相間熱傳遞方程。再進行數(shù)值模型的穩(wěn)態(tài)求解，不考慮控制方程在時間上的連續(xù)性，控制方程如下：

（1）動量守恒方程

（2）連續(xù)性方程

式中，SM描述用戶指定的質量源，Γαβ指從β相到α相的單位體積質量流量

（3）體積守恒方程

式中，rα表示α相體積比，Np是流體域內所有相的數(shù)量。

（4）相間熱傳遞方程

式中，hα,Tα,λα分別表示α相靜焓、溫度、熱導率，SEα是外部熱源，Qα其他相傳遞到α相的內能。

1.3 網(wǎng)格劃分

利用Hypermesh劃分模型網(wǎng)格，流體域采用四面體網(wǎng)格劃分，在壁面添加10層邊界層，第一層厚度0.01mm，增長率1.2。保持壁面邊界層參數(shù)不變，改變網(wǎng)格最小單元尺寸。網(wǎng)格最小單元尺寸：0.5mm、0.7mm、1mm、1.5mm、2mm和2.5mm，網(wǎng)格數(shù)量分別為2605506、1286105、449675、203434、93534和55231。分別對以上5中網(wǎng)格進行模擬計算，提取管道出口位置溫度的平均值與最大值。根據(jù)分析可以得出從網(wǎng)格數(shù)量449675以后，網(wǎng)格數(shù)量的增加對模擬結果的影響很小。本文選定最小單元尺寸0.7、網(wǎng)格數(shù)量1286105作為分析對象。

1.4 邊界條件

本節(jié)主要針對流體域動力學參數(shù)和流體域熱力學參數(shù)進行分析。由于液化后的液體受重力影響對流動影響較大，需要考慮重力和浮力的作用；甲烷氣相和液相會形成交界面，因此選用CFX多相流自由液面模型；流體域入口控制參數(shù)設置為總壓、溫度及氣態(tài)甲烷的體積比；出口設置為靜壓；所有壁面均為無滑移壁面模型。

流體域內的熱力學模型為總能量模型，相間設置熱傳遞系數(shù)1000W/m2k；管程和殼程之間存在熱量傳遞，為方便計算設定殼程流體溫度均為100K，故管外溫度設置為100K，管的傳熱系數(shù)為20000W/m2k。其入口壓強隨重力方向而改變。

2 數(shù)值結果與討論

（1）數(shù)值結果的驗證。甲烷在換熱器管程中深冷液化涉及氣液相變及多相流動問題。高溫甲烷氣體流經(jīng)壁面，遇冷液化。同時，甲烷氣體與液化后產(chǎn)生的液體同時在管道中流動。氣體液化主要發(fā)生在管道表面，當重力作用可忽略不計時，將會形成環(huán)狀的流行（如圖2所示）。圖3展現(xiàn)的為高溫甲烷氣體從管道入口到管道出口氣液百分比，顏色越深液體比例越高。由圖可以看出，越靠近出口，甲烷液體越多。與Osher S等實驗結果基本符合，證明了仿真的正確性。

圖2 環(huán)狀流［6］

圖3 冷凝結果

（2）驅動壓力的影響。保持管道壁面的傳熱系數(shù)不變，設置7組遞增驅動壓力的計算組，分別為100Pa、200Pa、300Pa、400Pa、500Pa、600Pa和700Pa。通過仿真模擬計算，獲得管道出口處甲烷的冷凝量。圖5為不同驅動壓力時，出口處甲烷冷凝量的變化曲線。由圖4可以看出，在100～300Pa階段，冷凝量隨著驅動壓力的增大成直線增大；300～500Pa階段，冷凝量成穩(wěn)定狀態(tài)；500～700Pa，冷凝量又回到直線增長。

圖4 不同驅動壓力時冷凝量變化曲線

（3）管壁傳熱系數(shù)的影響。保持初始溫度和驅動壓力不變，設置9組管道壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遞增的計算組，分別為1、2、6、8、10、12、12.5、15、17.5和20kW/m2k。通過模擬計算，獲得管道出口處甲烷的冷凝量。圖3-4為不同管道壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時，出口處甲烷冷凝量的變化曲線。由圖5可以看出，隨著管道壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增大，出口處冷凝量呈直線增加。管道壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大，管壁的熱阻減少，使氣體與管壁的傳熱效率提高，從而使冷凝的液體增多。

圖5 不同管壁傳熱系數(shù)時冷凝量變化曲線

3 結論

本文主要研究驅動壓力和管壁傳熱系數(shù)分別對目標參數(shù)（出口處甲烷冷凝量）的影響。通過簡化管道模型，并采用流體動力學混合物模型結合自由液面模型（VOF）對其進行數(shù)值模擬，得到以下結論：

（1）數(shù)值模擬結果與文獻中的流型一致性較好，從而證明了本文所建模型的合理性。

（2）在優(yōu)化的范圍內，若要提高甲烷的冷凝量，可通過提高驅動壓力和使用傳熱系數(shù)較高的管道材料。

參考文獻

［1］Hirt CW,Nichols BD.Volume of Fluid（Vof）Method for the Dynamics of Free Boundaries.J Comput Phys.1981;39（1）:201-25. doi: 10.1016/0021-9991（81）90145-5.

［2］Halasz B.A general mathematical model of evaporative cooling devices. Rev Gen Therm.1998;37（4）:245-55.doi:10.1016/S0035-3159（98）80092-5.

［3］Osher S,Sethian JA.Fronts Propagating with Curvature-Dependent Speed-Algorithms Based on Hamilton-Jacobi Formulations.J Comput Phys.1988;79（1）:12-49. doi:10.1016/0021-9991（88）90002-2.

［4］Li SQ,Wang P,Lu T.Numerical simulation of direct contact condensation of subsonic steam injected in a water pool using VOF method and LES turbulence model.Prog Nucl Energ.2015;78: 201-15. doi: 10.1016/j.pnucene.2014.10.002.

［5］江帆，黃鵬.Fluent高級應用.2008.

［6］Garimella S. Condensation flow mechanisms in microchannels: Basis for pressure drop and heat transfer models. Heat Transfer Eng. 2004;25（3）:104-16. doi: 10.1080/01457630490280489.

Numericalsimulation Offluid Dynamicsbased Oncryogenic Liquefactionprocess

LIN Yuanzai
（MechanicalEngineering,Southeast University,Nanjing 211189）

Abstract：This paper simulated methane gas cryogenic liquefaction process and multiphase flows at the same time in the heat exchanger by computing computational fluid dynamics（CFD）method. The paper established momentum conservation equation, continuity equation, volume conservation equation and interphase heat transfer equation of methane gas-liquid mixture by the Mixture Model, and tracked phase boundary by the Volume of Fluid（VOF）method..

Key Words:heat exchanger, liquefaction, phase change, Mixture Model, VOF