市政燃?xì)夤艿琅鲱^點(diǎn)流場(chǎng)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

趙力偉

（溫州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院 溫州 325000）

市政燃?xì)夤艿琅鲱^點(diǎn)流場(chǎng)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

趙力偉

（溫州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院 溫州 325000）

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)某一工程碰頭點(diǎn)結(jié)構(gòu)，采用計(jì)算流體力學(xué)CFD方法，對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)出口流動(dòng)死區(qū)較大，出口速度明顯減小。對(duì)碰頭點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后流動(dòng)死區(qū)明顯縮小，出口速度明顯增大，壓降明顯下降。研究結(jié)果對(duì)今后類似燃?xì)夤艿琅鲱^點(diǎn)的安裝及燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)的修訂具有一定的參考價(jià)值。

燃?xì)夤艿?碰頭點(diǎn) 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，新興工業(yè)區(qū)、居民住宅拔地而起，原先規(guī)劃設(shè)計(jì)的燃?xì)夤艿垒斔湍芰σ堰h(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足城市發(fā)展中工業(yè)、民用的需求，城市燃?xì)夤艿婪笤O(shè)也隨之更改、延伸，這就難免會(huì)有新舊管道的碰頭施工[1-3]。筆者在現(xiàn)場(chǎng)壓力管道安裝監(jiān)檢中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管道碰頭點(diǎn)，往往沒有經(jīng)過設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)管道的走向往往由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人或PE焊工根據(jù)安裝經(jīng)驗(yàn)決定，安裝單位安裝完成后，再聯(lián)系設(shè)計(jì)出具變更單，這導(dǎo)致碰頭點(diǎn)結(jié)構(gòu)存在較大的隨意性和不確定性，碰頭點(diǎn)流場(chǎng)分布差，流動(dòng)阻力大。故筆者以實(shí)際工作中碰到的某一工程為例，采用計(jì)算流體力學(xué)CFD方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際碰頭點(diǎn)進(jìn)行流場(chǎng)分析。在此基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)流場(chǎng)的方案，以期為今后類似燃?xì)夤艿琅鲱^點(diǎn)的安裝及燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)的修訂提供技術(shù)參考。

1 某一工程碰頭點(diǎn)流場(chǎng)分析

1.1 工程簡(jiǎn)介

市政主管為De160PE市政燃?xì)夤艿溃催M(jìn)行預(yù)留。由于用戶用氣量較大，現(xiàn)安裝管道PE管規(guī)格為De200。安裝前又未事先探明原管道位置，導(dǎo)致碰頭處兩管道間距不足5cm，安裝難度極大。現(xiàn)場(chǎng)管道碰頭情況如圖1所示，介質(zhì)流動(dòng)方向如箭頭所示。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型及方法

利用ANSYS軟件Fluent模塊，對(duì)碰頭點(diǎn)流場(chǎng)分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸，建立數(shù)值計(jì)算模型，上下游長(zhǎng)度取外徑的兩倍，如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)管子碰頭情況

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行分塊網(wǎng)格劃分，并對(duì)管壁處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性計(jì)算，直至滿足計(jì)算要求，具體網(wǎng)格情況如圖3、圖4所示。

圖3 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分圖

數(shù)值計(jì)算邊界條件如下：

1）入口邊界條件：采用速度入口條件，根據(jù)實(shí)際管網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，中壓主管道流速在10～15m/s左右，這里取10m/s；

圖4 局部網(wǎng)格放大圖

2）出口邊界條件1：采用自由出口條件；

3）出口邊界條件2：采用自由出口條件；

4）外部邊界：壁面邊界條件，無滑移速度u=0。

以天然氣為介質(zhì)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算中采用RNG k-ε湍流模型，且近壁面采用增強(qiáng)壁面函數(shù)法，以提高計(jì)算精度。并采用非耦合隱式求解方法，速度與壓力耦合采用SIMPLE方法，用二階精度的迎風(fēng)格式離散[3]。

1.3 碰頭點(diǎn)流場(chǎng)分析

圖5、圖6分別為碰頭點(diǎn)軸截面處的速度矢量圖和速度云圖。由圖可以看出，在兩出口90°彎頭處均存在較大的流動(dòng)死區(qū)，尤其是支管（出口2），其內(nèi)介質(zhì)得不到充分流動(dòng)，流動(dòng)死區(qū)較大，出口速度明顯減小，這將可能造成下游用戶供氣壓力不足。

圖5 碰頭點(diǎn)軸截面速度矢量圖

圖6 碰頭點(diǎn)軸截面速度云圖

2 碰頭點(diǎn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)及分析

為改善管道內(nèi)的流場(chǎng)，以降低流動(dòng)壓降，筆者對(duì)碰頭點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)措施：將主管上的90°電熔彎頭改為45°電熔彎頭（如圖7所示）。為使計(jì)算結(jié)果具有可比性，改進(jìn)后模型采用與前面模型相同的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分與求解設(shè)置，這里不再贅述。

圖7 改進(jìn)結(jié)構(gòu)

圖8、圖9分別為改進(jìn)結(jié)構(gòu)軸截面處的速度矢量圖和速度云圖。為便于比較，圖5、圖8顯示的速度矢量放大倍數(shù)是相同的。對(duì)比圖5、圖6及圖8、圖9，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后兩出口彎頭處仍存在一定的流動(dòng)死區(qū)，但比改進(jìn)前流動(dòng)死區(qū)明顯縮小了，出口速度也明顯增大了。

圖8 改進(jìn)結(jié)構(gòu)軸截面速度矢量圖

圖9 改進(jìn)結(jié)構(gòu)軸截面速度云圖

進(jìn)一步計(jì)算得到改進(jìn)前后進(jìn)出口壓降（見表1）。由表1可以看出，改進(jìn)后主管（出口1）、支管（出口2）的壓降都明顯下降了，這表明流動(dòng)阻力明顯減小了。

表1 進(jìn)出口壓降 Pa

3 結(jié)論及展望

1）采用計(jì)算流體力學(xué)CFD方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際碰頭點(diǎn)進(jìn)行流場(chǎng)分析。發(fā)現(xiàn)出口流動(dòng)死區(qū)較大，出口速度明顯減小，可能造成下游用戶供氣壓力不足；

2）提出改進(jìn)方案：將主管上的90°電熔彎頭改為45°電熔彎頭，模擬結(jié)果表明改進(jìn)后碰頭點(diǎn)流場(chǎng)得到明顯改善，即出口速度明顯增大，壓降明顯下降；

3）在今后類似燃?xì)夤艿琅鲱^點(diǎn)的安裝中，應(yīng)多采用45°彎代替90°彎，以改善流場(chǎng)。

4）在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中此類問題普遍存在，而現(xiàn)行燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)（如CJJ33—2005、CJJ63—2008）均未對(duì)碰頭點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)定，后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)修訂工作中應(yīng)予以考慮。

[1] 鐘勤．城市燃?xì)怃撝乒艿缼馀鲱^施工[J]．江西煤炭科技，2013，1(1)：116-117.

[2] 施兵兵．淺談“在用管道冷切割碰頭”新工藝[J]．化工管理，2013，4：78.

[3] 許衛(wèi)榮，王宏．聚乙烯燃?xì)夤艿腊惭b監(jiān)督檢驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)[J]．中國特種設(shè)備安全，2011，27(6)：7-8.

[4] 王福軍．計(jì)算流體力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Structural Improvement and Flow Field Analysis of Connection Point in City Gas Pipeline

Zhao Liwei
(Wenzhou Special Equipment Inspection Research Institute Wenzhou 325000)

Using computational fluid dynamics (CFD) methods, the flow field of gas connection point of an engineering example case was analyzed. The result showed that there was a big dead zone, and the exit velocity decreased significantly. Then, improved and analyzed the connection point structure, the results showed that the dead zone volume was significantly reduced, the exit velocity was significantly increased and the total pressure drop was significantly decreased. The result of research has certain value for reference to installation of connection point in city gas pipeline.

Gas pipeline Connection point Structural improvement

X933.4

B

1673-257X(2017)05-0006-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.05.002

趙力偉(1986～)，男，碩士，工程師，從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)及科研工作。

趙力偉，E-mail: tjlwzhao@163.com。

2016-12-10）