CNG公共汽車供氣高壓管路的流場特性研究

譚金會　王　艷　郝海彬　何太碧　張新巖　楊煒程

1.西華大學汽車與交通學院 2.成都工貿職業技術學院 3.成都紡織高等專科學校

CNG公共汽車供氣高壓管路的流場特性研究

譚金會1王艷2郝海彬1何太碧1張新巖1楊煒程3

1.西華大學汽車與交通學院 2.成都工貿職業技術學院 3.成都紡織高等專科學校

譚金會等.CNG公共汽車供氣高壓管路的流場特性研究.天然氣工業,2016,36(5):92-97.

目前國內有關壓縮天然氣汽車高壓管路布置方面的工藝規范較少，對于高壓管路布局走向、管路長度、管路直徑等設計參數的選擇及其對儲氣的利用率、管路中供氣穩定性等方面的影響尚缺乏深入研究。 為此，采用計算流體力學數值模擬方法，計算分析了某型壓縮天然氣公交車供氣管路內天然氣的流場特性， 發現管路的長度、曲率、半徑以及氣瓶閥通孔結構是影響流場特性的主要因素。研究結果表明：①氣瓶閥內部流場存在渦流；②管路內部壓降與管路長度呈線性關系；③不同工況下管路內部流場速度與壓降呈正相關關系；④管路內部流場壓降隨著管路半徑的增大而減小；⑤彎管曲率半徑越大，內部流場速度和壓力在拐彎處過渡越 平順。據此進行了以下優化設計：①優化氣瓶閥內部通孔結構，解決了原氣瓶閥內部存在渦流的 現象；②縮短管路長度可以有效減小管路內部壓力 損失；③高負荷不利于提高氣瓶中天然氣的使 用率；④增大管路半徑可以有效降低管路內部流場的壓力損失。優化后整個CNG公共汽車的高壓管路壓力損失減小了195.6 kPa。

計算流體力學 壓縮天然氣汽車 高壓供氣管路 流場特性 氣瓶閥 天然氣使用率 壓力損失

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 5, pp.92-97,5/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

目前，國內關于壓縮天然氣 （CNG）汽車供氣高壓管路布置方面的工藝規范較少，尤其在整車供氣高壓管 路布局走向、管路長度、管路直徑等設計參數選擇對儲氣利用率、管路中供氣穩定性等方面的影響缺乏深入 研究。在復雜的行駛工況下，高壓氣體在供氣管路中快速流動形成的內激勵與車輛行駛振動的外激勵相互疊加，需要對供氣高壓管路形成的振動沖蝕規律進行研究。在CNG汽車的生產實踐中也發現，供氣高壓管路布局的技術工藝參數對管路中安全閥的正確報警也有重要影響。因此，研究CNG汽車供氣高壓管路內部流場的特性，對制訂CNG汽車供氣高壓管路布局設計方面的技術規范具有重要意義。有學者對CNG汽車供氣高壓管路內部流場進行了相關研究，但其研究內容與實際情況不夠貼切，初始條件設置比較單一，沒有系統地研究分析管路長度、管路直徑和彎管曲率等設計參數和管路內部流場特性的關系，研究深度不夠，對實踐指導的意義較小[1-4]。因此，筆者將更加深入地研究分析其中的規律，為生產實踐提供更多指導幫助。

1　CNG公交車供氣系統管路布局

圖1為某型CNG公交車燃氣供給系統示意圖，由儲氣瓶、氣瓶閥、過流保護閥、高壓濾清器、高壓電磁閥、高壓減壓器、低壓濾清器、低壓電磁閥、電控調壓穩壓器、混合器、電子節氣門、高壓管路和低壓管路等組成。整個供氣管路長13 m（其中高壓管路長12.3 m，氣瓶之間螺旋環形彎管的曲率半徑為100 mm，低壓管路長0.7 m），高壓不銹鋼管外徑為8 mm，內徑為6 mm，低壓軟管外徑為16 mm，內徑為9 mm。

預混式供氣系統的供氣流程為：氣瓶內的CNG經氣瓶閥進入高壓管路，依次經過過流保護閥、高壓過濾器、高壓電磁閥后進入減壓器，減壓后經過低壓過濾器進入電控調壓穩壓器，調壓后進入混合器，在混合器內混合后經過電子節氣門進入發動機氣缸。

圖1　某型CNG公交車燃氣供給系統示意圖

2　建立模型

2.1計算模型

CNG汽車在兩次加氣之間的運行過程中供氣管路中的壓力由20 MPa逐漸降低，因此，進入供氣管路中的天然氣密度不斷降低，根據有關資料計算得知在20 MPa時CNG的密度為156.0 kg/m3，3 MPa時（CNG汽車通常在供氣壓力降至3 MPa前加氣）CNG的密度約為23.4 kg/m3，導致供氣管路中天然氣的速度在整個供氣過程中變化較大，根據不同壓力下天然氣的密度可以算出管路中天然氣的速度，計算出該型車輛發動機達到最大功率時管路內的氣體最大速度為19.71 m/s。由于流場速度遠遠小于50 m/s，可以假設某瞬時管道內流動為穩態不可壓縮流。由于管路暴露在空氣中，假設管路內外沒有溫差，故忽略溫度變化對天然氣性質的影響。在不求解能量守恒方程的前提下，流場內的氣體流動可用下述模型描述[5]。

連續性方程：

式中ρ表示天然氣混合密度，kg/m3；t表示時間，s；vm表示質量平均速度，m/s。

動量方程：

式中p表示連續相總壓力，Pa；μ表示混合黏性系數，10-5Pa·s；F表示體積力，N；T表示溫度，K；g表示重力加速度，m/s2。

2.2三維結構模型與網絡劃分

圖2是某型CNG公共汽車的供氣高壓管路三維流場網格生成圖。由于過濾器等裝置內部結構較為復雜，此處暫不研究。為了便于研究供氣高壓管路內的流場特性，提高計算機工作效率，在建立整個管路三

圖2　供氣高壓管路內部三維流場網格生成圖

維結構模型時省略了其他裝置的建模。模型按照和實物1:1的比例進行建立，管路總長12.3 m，管路內徑為6 mm。為了滿足計算精度且兼顧計算效率，高壓管路內部流場采用Tet/Hybrid網格形式進行網格劃分。三維結構模型共劃分網格1 076 284個，節點275418個。

2.3邊界條件與計算方法

2.3.1 進口

根據發動機不同工況下的燃氣消耗率、對應的發動機有效輸出功率、入口管路的內徑、不同壓力下天然氣的密度、發動機進氣沖程的規律以及入口數量來確定入口速度[6-7]。即

式中μ表示入口速度，m/s；Q表示燃氣消耗量，g/h；A表示氣瓶閥入口面積，m2；n表示工作氣瓶數量；be表示燃氣消耗率，g/(kW·h)；Pe表示發動機有效功率，kW。

2.3.2 出口

設定為出流（Outfl ow）邊界條件。

2.3.3 壁面

設定為無滑移邊界條件，管道內外無溫差、無能量交換，設定為絕緣。

2.3.4 流體區域

流體區域設定為CNG，具體參數按照表1設置。

表1　0 ℃條件下20 MPa至3 MPa部分壓力下天然氣的密度和動力黏度值表

3　數值模擬和結果分析

3.1對原供氣高壓管路內部流場的模擬結果

利用Fluent流體計算軟件對供氣高壓管路內部流場模型進行求解計算，由計算結果得知，氣瓶供氣壓力為3 MPa時供氣高壓管路入口與出口的壓力差為231.1 kPa，即在3 MPa時供氣高壓管路產生的壓力損失為231.1 kPa，一定程度上影響了氣瓶內天然氣的利用率。圖3反映了氣瓶供氣壓力為3 MPa時供氣高壓管路內部流場壓力在X軸上的分布情況，圖3中紅線標注曲線部分顯示了管道內部流場壓力和管路的長度呈線性關系。這說明管路長度越長，造成的壓力損失越大，越不利于提高氣瓶內天然氣的使用率。因此，可以通過壓力和管路長度的這種線性關系來優化管路的設計[8-15]。

圖3　3 MPa時供氣高壓管路內部流場壓力在X軸上的分布圖

圖4　3 MPa時氣瓶閥內局部流場速度分布圖

圖4是3 MPa時氣瓶閥內局部流場速度分布情況，從圖4可以看出氣瓶閥內部流場速度顯著高于管路內部流場速度，連接處及氣瓶閥內部存在渦流，流場速度過渡不順暢。造成這種現象的主要原因是氣瓶閥通徑和管路直徑大小不同且變化突然，氣瓶閥內部通孔設計存在缺陷。

圖5是供氣壓力為3 MPa時，在不同工況條件下管路內部壓降和速度的關系曲線。曲線的走勢說明管路內部壓降隨著速度的增大而增大，且隨著速度的增大，壓降的增長率越大。這種規律可以指導駕駛員提高氣瓶內天然氣的使用率。

圖5　管路內壓降與流場速度的關系曲線圖

3.2管路內部流場特性與管路優化設計

3.2.1 管路內部流場特性與管路長度的關系

通過對上述計算結果進行研究分析，管道內部流場的壓降隨著管道長度的增長而變大，從圖5也可以清楚的看出兩者存在線性關系。在設計過程中就可以遵循盡量縮短管路的長度來達到優化管路布局的目的。

3.2.2 管路內部流場特性與管路半徑的關系

圖6是供氣壓力為3 MPa、管路內半徑分別為2mm、3 mm、4 mm、5 mm時，所建三維幾何模型（不同管徑的三維模型統一建立為1 m直管，入口邊界條件設定為該發動機最大功率時對應的管路內部流場流速）管路內部流場壓降和管路內半徑的關系曲線。觀察圖6可以發現，管路內部流場壓降受管路半徑影響很大，尤其是管路內半徑從2 mm變為3 mm時內部流場壓降變化最大，從3 mm變為5 mm過程中，壓降變化逐漸變小。根據這一規律，在實際操作中為了降低管路內部壓力損失，就不用一味地通過增大管路半徑來降低壓力損失，可以找一個平衡點。選擇直徑為10 mm的不銹鋼管（內徑為8 mm）來匹配該車型的發動機就可以滿足優化設計的要求，直徑為10 mm的鋼管比直徑為12 mm（內徑為10 mm）的鋼管在實際中更容易安裝操作，經濟性也更好。

圖6　管路內壓降與內半徑的關系曲線圖

3.2.3 管路拐彎處曲率對內部流場的影響

圖7　不同曲率彎管內部流場中心截面的速度和壓力分布圖

圖7是供氣壓力為3 MPa、管路內半徑為3 mm的彎管曲率半徑分別為14 mm、24 mm、54 mm時，最大功率條件下彎管內部流場的速度和壓力分布情況。圖7顯示彎管拐彎處曲率半徑越大，內部流場速度和壓力過渡越平順。在實踐中，受安裝空間的限制，不能無限制地增大曲率半徑，只能在有限的范圍內進行增大。圖7顯示當曲率半徑為54 mm時內部流場的速度和壓力過渡就比較平順了，可以滿足優化設計要求。

3.2.4 氣瓶閥通孔的優化設計

圖8為氣瓶閥優化前后的內部流場速度和壓力對比圖。優化模型結構是半徑為3 mm、曲率半徑為10 mm的90°彎管和半徑為3 mm、長度為30 mm的直管相切組成。圖8上方和下方分別是優化前后氣瓶閥通孔內部流場的速度和壓力分布。圖8中橢圓線圈標注位置存在較大渦流，通過結構優化這一問題得到解決。另外，在實踐運用中選取閥門時，要盡量確保閥門通徑和管路內徑一致，避免管路和閥門連接處產生渦流，減小壓力損失。

圖8　氣瓶閥通孔結構優化前后內部流場速度和壓力分布圖

3.2.5 管路優化前后結果對比

把該型號CNG公交車的高壓管路改用直徑為10 mm的不銹鋼管，彎管曲率半徑增大至55 mm，并選用優化后的氣瓶閥后，與優化前的模型進行計算比較。通過仿真計算得到優化后管路出入口的壓降為35.5 kPa，比優化前的壓降減小了195.6 kPa，有效地提高了儲氣瓶內天然氣的利用率，增加了CNG公交車的行駛里程。

4　結論

通過CFD數值模擬，計算分析了某CNG公交車高壓管路內天然氣的流場特性，發現高壓管路的長度、半徑、曲率以及氣瓶閥通孔結構是影響流場特性的主要因素。

1）優化氣瓶閥內部通孔結構，可以解決原氣瓶閥內部存在渦流的現象。

2）通過縮短管路長度可以有效地減小管路內部的壓力損失。

3）高負荷不利于提高氣瓶中天然氣的使用率。

4）增大管路半徑可以有效地降低管路內部流場的壓力損失，選擇直徑為10 mm的無縫鋼管來匹配所研究車型的發動機可以滿足優化設計的要求。

5）實踐操作過程中，在有限的空間內盡量增大彎管曲率半徑，可以提高拐彎處內部流場過渡的平順性。

6）選用直徑為10 mm的不銹鋼管，彎管曲率半徑增大至55 mm，并優化氣瓶閥的高壓管路出入口的壓降為35.5 kPa，比優化前的壓降減小了195.6 kPa，有效地提高了儲氣瓶內天然氣的利用率，增加了CNG公交車的行駛里程。

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（修改回稿日期 2016-03-05編 輯 何明）

中俄能源合作新典范——俄羅斯亞馬爾液化天然氣項目

俄羅斯亞馬爾液化天然氣項目作為北極圈內最大的LNG項目，開工至今吸引了全世界的目光。目前,亞馬爾項目總體建設進度為51.3%，一期生產線進度為64.4%，可于2017年按期投產，二期和三期生產線將分別于2018年和2019年投產。經過多年建設，亞馬爾LNG項目所在地薩別塔港已經建立了完善的工作和生活區，住房、供電、供暖、食堂、倉庫、道路和休閑娛樂設施一應俱全。目前，亞馬爾LNG項目有超過220家承包商，現場有3 000多臺技術設備、15 000多名工人，預計高峰期工人人數將達20 000人。

根據諾瓦泰克公司提供的數據，按照美國石油工程師學會石油資源管理系統(PRMS)標準測算，截至2014年12月31日，南坦別伊氣田已發現天然氣儲量9 260×108m3。到2016年5月1日，亞馬爾項目19個區塊208口氣井中已有50口完成開采，可滿足一期生產線86%的生產需求。

在項目主體建筑施工方面，4座大型LNG儲罐總建設進度為75.3%，到2016年11月，其中2座儲罐將全部完工并完成使用前的最終測試。發電站建設已完成60.2%，其中1～4號天然氣渦輪發電機已安裝完畢，2016年內一期發電機組將投入使用。一期生產線引橋全部的地基已建設完畢，包括低溫換熱器在內的主要設備已經就位，配套的2臺液化壓縮機也已安裝完成。

由于薩別塔港氣候寒冷，全年有近9個月時間是冬季，最低氣溫達零下40 ℃，為縮短工期及節省建設成本，包括2個LNG成品運輸泊位在內的大部分建筑均采取模塊化方式建設。據介紹，亞馬爾LNG項目總共需要各類模塊近500個，其中簡單模塊約360個，高技術復雜模塊111個，分別交由10家承包商生產，其中有7家來自中國，其余3家來自印度尼西亞。4月底，由中國海洋石油工程股份有限公司承建的工程包中，2個分別重達7 200 t和4 800 t的重要模塊在青島順利完工裝船，這也是整個亞馬爾LNG項目中最大最重的2個模塊，展現出中國企業在LNG設備制造方面的長足進步。

（天工 摘編自石油新聞網）

Characteristics of fl ow fi elds in high-pressure pipes for CNG buses

Tan Jinhui1, Wang Yan2, Hao Haibin1, He Taibi1, Zhang Xinyan1, Yang Weicheng3
(1. School of Automobile & Transportation, Xihua University, Chengdu, Sichuan 610039, China; 2. Chengdu Industry and Trade College, Chengdu, Sichuan 611730, China; 3. Chengdu Textile College, Chengdu, Sichuan 611731, China)

There is few process specifications related to the layout of high-pressure pipes for CNG vehicles. In addition, in-depth studies are urgently required on the selection of such design parameters as layout/trend of high-pressure pipes, pipe lengths and diameters and the impacts of these parameters on the utilization rate of stored gas and the supply stability of gas in pipes. In this study, numerical simulations of computational fluid dynamics (CFD) were performed to highlight the characteristics of flow fields in gas-supply pipes for a certain model of CNG buses. The results show that length, curvature and radius of pipes, together with the structure of the cylinder valve, are key factors that may affect flow field characteristics. Specifically, there are vortexes in the internal flow field of the cylinder valve. Drops of the internal pressures have a linear correlation with the lengths of pipes. Flow velocity is in a positive correlation with pressure drop under different operating conditions. Pressure drop in the flow field decreases as pipe radius increases. The greater the curvature radius of elbow pipe is, the smoother transition of the internal flow velocity and pressure in the corner will be. Based on these findings, the following design optimizations were proposed. First, the internal hole structure of the cylinder valve is optimized to effectively remove the vortexes in the internal gas bottle valve. Second, pipe length is shortened to significantly reduce the internal pressure losses. Third, heavier loads may negatively affect the utilization efficiencies of natural gas contained in the cylinder. Fourth, pipe radius can be increased to effectively reduce the pressure loss in the flow field of pipes. After optimization, the pressure loss of the high-pressure pipe is reduced by 195.6 kPa.

Computational fluid dynamics (CFD); Compressed natural gas (CNG) vehicle; High-pressure gas pipe; Flow field characteristic; Cylinder valve; Natural gas utilization rate; Pressure loss

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.05.014

四川省教育廳理工科重點項目“天然氣汽車高壓管路流場特性分析及優化布局設計研究”（編號：14ZA0106）、四川省哲學社會科學重點研究項目“四川省LNG汽車應用推廣研究”（編號：W14203328）。

譚金會，女，1970年生，副教授，工學碩士；主要從事車輛工程及交通安全工程方面的研究工作。地址：（610039）四川省成都市金牛區西華大學汽車與交通學院。電話：(028)87720534。ORCID:0000-0002-0484-9701。E-mail:jinhuit@163.com