天然氣物性數據庫的開發及其在閥門仿真中的應用

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(華東理工大學承壓系統與安全教育部重點實驗室,上海 200237)

天然氣物性數據庫的開發及其在閥門仿真中的應用

湯俊,于新海,李松,周邵萍

(華東理工大學承壓系統與安全教育部重點實驗室,上海200237)

利用目前在天然氣應用領域中較為全面和精確的GERG—2004方程建立天然氣數據庫,使用FORTRAN程序,VBA宏語言和MATLAB編寫了插值算法,在CFX仿真計算中調用了數據庫中物性數據。以天然氣迷宮式調節閥三維模型為研究對象,基于k-Epsilon流動模型,調用天然氣物性數據庫,實現了以天然氣為介質的迷宮式調節閥仿真,為以天然氣為介質的過流部件仿真提供了解決思路。

數據庫; 迷宮式調節閥; 物性模型

迷宮式調節閥廣泛應用于天然氣領域以及大型電站的鍋爐等非常惡劣的工況下,是流量控制和壓力控制的主要元件之一[1-2]。數值模擬是研究迷宮式調節閥內流場設計、外特性分析和結構評估優化的主要工具。但天然氣組成的氣體種類繁多,且其物理性質隨著組分、溫度、壓強的變化而變化[3],不僅給實驗物性參數研究帶來困難,也給利用天然氣物性進行仿真計算帶來巨大的挑戰。國內外流體商業軟件尚未建立全面、高精度、高穩定性的天然氣數據庫,并且未提出針對多種類型天然氣的多相流數值仿真方法。

基于此,本文利用GERG—2004方程[4],結合VBA宏語言和MATLAB建立天然氣數據庫,并以天然氣迷宮式調節閥三維模型為研究對象,基于k-Epsilon流動模型,調用天然氣物性數據庫,探究物性對于閥門性能的影響。

1 數據庫建立方法

1.1基于GERG—2004方程的數據庫建立

首先,利用GERG—2004方程建立氣相區和兩相區天然氣數據庫。然后用FORTRAN程序編寫插值算法,數據庫的生成與插值程序流程如圖1所示。最后,在CFX仿真計算中調用數據庫中物性數據,完成以天然氣為介質的閥門內流體仿真計算。為減少內存消耗,提高程序運算的速度,同時為避免預設范圍之外的點的插值,增強程序的魯棒性和精確度,本數據庫采用了動態表形式。

1.2基于MATLAB程序獲得和采集數據

GERG—2004方程可計算包含甲烷、乙烷、二氧化碳、氮氣等18種天然氣組分混合的物性參數,計算區域覆蓋了氣相區與液相區。

表1～表2為采用Excel程序和DOS程序對一定組分、溫度、壓力和體積下物性的計算結果,分別采集單相區和兩相區數據。

圖1 數據庫生成與插值程序流程圖Fig.1 Program flow chart of database generation and interpolation

表1 GERG—2004方程Excel程序計算結果

表2 GERG—2004方程DOS程序計算結果

為高效獲取GERG—2004方程中的數據,運用VBA宏語言和MATLAB等工具實現數據的輸入、可視化處理和提取分析。在完成組分、壓力、溫度等數據輸入后,DOS程序將生成各組分、溫度和壓力工況下的物性數據,數據采集流程如圖2所示。文本采用正則表達式,提取密度和氣液相體積分數等參數,數據以單個字符串來描述和匹配文本中字符串。最后,使用MATLAB整理歸納提取的物性數據,完成數據采集。

1.3基于線性插值法的數據處理

對采集的數據進行插值處理,所選用的二維插值方法為雙線性插值[5]。二維插值方法的實現過程如圖3所示。P1、P2、P3、P4是所需求解點P(x,y)四周的插值節點。

圖2 數據采集流程圖Fig.2 Flow chart of data acquisition

圖3 雙線性插值Fig.3 Flow chart of data acquisition

雙線性插值的基本函數形式如下:

f(x,y)=(ax+b)(cy+d)

(1)

式(1)中含有4個待定系數。通過4個插值節點的數據值,可求解出這4個待定系數。

首先,在x方向上進行線性插值,得

(2)

(3)

然后,在y方向上進行線性插值,得

(4)

整理得

f(x,y)=f(P3)(1-x)(1-y)+

f(P1)(1-x)y+f(P4)x(1-y)

(5)

線性插值的結果并不會因為插值順序的不同而改變。本文三維插值算法也采用線性插值,與二維采用的雙線性插值方法相同,原理如圖4所示[6]。

圖4 三維線性插值Fig.4 Interpolation in 3-dimension

1.4CFX調用FORTRAN程序

將自定義的物理模型和物性特征寫入FORTRAN程序中,求解器求解時將調用這些插值處理后的數據。CFX通過CEL函數調用自定義FORTRAN程序,流程如圖5所示。

編譯平臺搭建成功后,在命令行程序執行cfx5mkext語句,將編寫的F格式FORTRAN文件編譯成DLL動態共享庫。求解器進行求解時,將通過在預處理器中預先定義的CEL語句和CEL函數對象對共享庫進行調用和計算。

圖5 CFX調用FORTRAN程序流程Fig.5 Calling of user FORTRAN program by CFX

2 數據庫生成與實驗驗證

2.1組分、壓力、溫度范圍確定

在獲得初始數據后,需對天然氣數據庫組分、壓力、溫度的范圍進行確定和節點數據進行定義。本文數值模擬所選用天然氣組分數據來源于四川盆地新場氣田,其天然氣組成如表3所示。

表3 四川新場氣田某層系天然氣組分及其摩爾分數

本文選取迷宮式氣動調節閥為研究對象,結構如圖6所示。實現天然氣數據庫的調用,可完成以不同壓差工況下天然氣為介質的閥內流場仿真,有利于進一步研究迷宮盤片內部流動在不同工況下的變化規律,對天然氣閥門設計性能進行評估。其設計入口絕對壓力為34.9 MPa,設計出口絕對壓力為0.4 MPa,數據庫的壓力范圍需要包含最大、最小壓力,壓力邊界設定為0.01 MPa≤P≤36.01 MPa。天然氣的入口溫度為70 ℃。選取純CH4為介質進行模擬,CH4的物性數據來自于CFX中的材料庫。通過試算調節閥內溫度場,預估數據庫溫度范圍。針對調節閥的高壓差、高流速的工況,選用Total Energy熱傳遞模型和k-Epsilon湍流模型。由于高壓差的邊界條件不穩健,對初始條件較為敏感,在模擬中先將預先估計的入口流量和出口靜壓作為邊界條件進行求解,待收斂后,再將該結果作為初值代入兩端壓差的邊界條件的算例中模擬。由于盤片閥結構比較復雜,采用ICEM軟件對其流道模型進行整體非結構網格劃分,對盤片、閥芯等關鍵位置的流體域進行網格加密如圖7所示,網格總計3.58×106。同時,在對網格進行無關性驗證的基礎上,分析閥門內的流場情況。

1—閥桿;2—閥蓋;3—閥瓣;4—迷宮盤片閥芯;5—閥體;6—閥座

圖7 盤片處網格Fig.7 Mesh of the valve discs

圖8為調節閥中心對稱溫度場云圖。從圖中可以看出,由于閥門的節流效應,天然氣在流經閥門的過程中溫度有所降低,由入口管段的345.7 K降至出口管段的200 K左右。數據庫溫度需包含最大值和最小值,因此將其溫度范圍確定為180 K≤T≤350 K。

圖8 中心對稱面溫度云圖Fig.8 Temperature contour of symmetric plane

2.2節點數確定

數據庫中包含的數據節點數越多,所得到插值的結果會越接近實際值。但數據節點過多將導致數據庫變得很大,模擬時也占用大量的RAM容量,使得程序運行變慢。

為得到較為合適的節點數,首先生成不同體積分數的CH4和CO2的二元混合物的數據庫,對其進行插值,并將插值結果與已有的實驗數據進行對比。以CH4和CO2二元混合物的插值結果作為參考,擬定合適的節點數。初步將網格步長設為10 K和1 MPa。以體積分數為0.9的CH4和體積分數為0.1的CO2的二元混合物為例。插值結果與文獻的實驗結果[7-9]對比如表4所示。

表4 氣相區插值結果與實驗結果對比

氣相區內實驗值與插值計算值的最大誤差為0.097 78%,可滿足模擬的精確度需求。因此,數據庫的溫度步長和壓力步長滿足條件。溫度方向網格節點為18個,壓力方向網格節點為37個,數據庫總節點數為666個。將這些網格節點的密度數據和線性插值算法編入FORTRAN程序,并在命令行程序中使用cfx5mkext語句將該FORTRAN程序編譯成DLL共享庫。

3 基于數據庫的閥門仿真

將所建立的氣相區數據庫應用于天然氣迷宮式調節閥的數值模擬進行計算。介質的物性數據來源于數據庫,選取體積分數為0.25的CH4和體積分數為0.75的CO2為仿真介質。入口總壓設置為34.9 MPa,出口靜壓設置為0.4 MPa。選用了總能模型獲取調節閥內的溫度場等信息,介質的入口溫度為343.15 K。模擬結果如圖9所示。

圖9示出了壓力、溫度和密度在閥門內部隨介質流動的變化,3個監測值都在盤片流道中發生劇烈的變化。模擬計算得到入口平均密度為579.9 kg/m3,而由GERG—2004方程計算得到的密度為16.193 28 mol/L,換算得599.1 kg/m3,入口密度誤差約為3.205%。在不同的溫度和壓力工況下,對比多個監測點的仿真結果與GERG—2004方程計算結果,如表5所示,發現密度誤差最大值為3.432%,插值計算誤差較小,仿真精確度滿足要求。同時,數據庫在計算高壓差的工況調用計算過程中,表現出良好的適應性、魯棒性和精確性。

圖9 對稱面的壓力、溫度及密度云圖Fig.9 Symmetric plane pressure contour,temperature contour and density contour

表5 計算結果對比

4 結 論

以天然氣迷宮式調節閥為研究對象,建立天然氣物性數據庫,使用CFX中的流動模型,實現了高壓差仿真計算并得出以下結論:

(1) 數據庫密度實驗值與插值計算值的最大誤差為0.098%,仿真結果與GERG—2004方程密度計算結果最大誤差為3.432%。因此,該方法得出的天然數據庫滿足計算的精確度和穩定性要求。

(2) 創新性地調用GERG—2004方程和FORTRAN插值程序,實現了以天然氣為介質的迷宮式調節閥仿真,為以天然氣為介質的過流部件仿真提供了解決思路。

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DevelopmentandApplicationsinValveSimulationofNaturalGasPhysicalPropertyDatabase

TANGJun,YUXin-hai,LISong,ZHOUShao-ping

(KeyLaboratoryofPressurizedSystemandSafety,MinistryofEducation,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

Natural gas database is established by GERG—2004equation which is very comprehensive and accurate in the field of natural gas application at present.Interpolation algorithm is defined by user FORTRAN program,VBA macro language and MATLAB.Physical property data in database is called in the numerical simulation of CFX.This paper takes the natural gas labyrinth type valve as an example,calling physical property data in the numerical simulation based onk-Epsilon flow model,completing the simulation of labyrinth control valve using natural gas as medium,which provides a solution for the simulation of over-current components with natural gas as medium.

database; labyrinth control valve; physical property model

TH3

A

1006-3080(2017)05-0712-05

10.14135/j.cnki.1006-3080.2017.05.017

2016-11-22

湯 俊(1992-),男,江蘇淮安人,碩士生,主要從事泵閥的數值模擬與結構優化。

周邵萍,E-mail:shpzhou@ecust.edu.cn