天然氣化工管道設(shè)備的CFD模擬

高佳

摘 要：在城鎮(zhèn)氣化站和加氣站傳輸時(shí)會(huì)遇到多處水平和垂直轉(zhuǎn)彎的情況，在彎管處液化天然氣的速度、壓強(qiáng)產(chǎn)生巨大變化，對彎管壁的壓強(qiáng)顯著增強(qiáng)，可能會(huì)產(chǎn)生氣泡，對管道產(chǎn)生一定隱患。針對有壓LNG管道，利用ANSYSWorkbench軟件的Fluent模塊數(shù)值模擬與分析，得到管道內(nèi)部壓強(qiáng)場和速度場分布，通過對比不同流速下在管道轉(zhuǎn)彎處的流場，得到了不同流速對內(nèi)部壓強(qiáng)的影響變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：液化天然氣管道 流場 數(shù)值模擬 Fluent

中圖分類號：TE97 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（a）-00-02

1 二維建模與網(wǎng)格劃分

由于液化天然氣管道成軸對稱的特點(diǎn)，我們使用ANSYSWorkbench的Geometry模塊建立“U”形液化天然氣管道二維幾何模型，公稱直徑設(shè)置為90mm，采用1.5D的彎頭，彎頭的彎曲半徑為137mm，管道的下行高度取500mm，建立完模型后從草圖生成面物體，使用ANSYSWorkbench自帶的mesh模塊對建立“U”形液化天然氣管道二維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量的多少對模擬效果的影響很大，高階單元可更好地實(shí)現(xiàn)所建模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜曲線邊界，所以高階單元適用于結(jié)構(gòu)不規(guī)則和應(yīng)力分布復(fù)雜的模型，計(jì)算時(shí)選用高階單元可接近符合復(fù)雜函數(shù)，高階單元的節(jié)點(diǎn)多，使選用高階單元的模型規(guī)模和計(jì)算時(shí)間增加，因此使用高階計(jì)算單元時(shí)，保持一定精度的情況下，選用合適網(wǎng)格數(shù)量和階次的高階單元，為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算量，同一結(jié)構(gòu)可以采用不同階次的單元，即精度要求高的重要部位用高階單元，精度要求低的次要部位用低階單元。不同階次單元之間或采用特殊的過渡單元連接，或采用多點(diǎn)約束等式連接由于彎管處變化較大，使用Mesh模塊的Sizing功能，使管道轉(zhuǎn)彎處網(wǎng)格劃分密集，彎管處應(yīng)力變化較大，為了更好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，采用比較密集的網(wǎng)格，將進(jìn)氣端設(shè)置為inlet，出口端設(shè)置為outlet。

2 利用Fluent求解器求解

將生成的Mesh文件導(dǎo)入Fluent模塊，使用Check功能檢查網(wǎng)格信息，當(dāng)最小網(wǎng)格體積大于0時(shí)才可以用于計(jì)算，將管道的液化天然氣視為低速不可壓縮流體，選擇雙精度壓強(qiáng)基隱式求解器，管道流體的雷諾數(shù)大于4000，流動(dòng)為湍流，湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)具有不斷隨機(jī)的相互摻混現(xiàn)象，速度和壓強(qiáng)等物理量具有隨機(jī)性質(zhì)的脈動(dòng)，設(shè)置湍流模型為k-epsilon雙方程模型，使用k-ω雙方程模型進(jìn)行湍流計(jì)算。k-ω雙方程模型分為標(biāo)準(zhǔn)的k-ω和SST k-ω模型。Wilcox k-ω模型在預(yù)測自由剪切流傳播速率時(shí)，取得了很好的效果，成功應(yīng)用于尾跡流，混合層流動(dòng)，平板繞流，圓柱繞流和放射狀噴射。因而可以說該模型能夠應(yīng)用于壁面約束流動(dòng)和自由剪切流動(dòng)，SST k-ω模型全稱是剪切應(yīng)力輸運(yùn)（shear-stress transport） k-ω模型，是為了使標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型在近壁面有更好的精度和算法穩(wěn)定性而發(fā)展起來的，可以說是將k-ε模型轉(zhuǎn)換到k-ω模型的結(jié)果，因此，sst k-ω模型在很多時(shí)候比標(biāo)準(zhǔn)的k-ω模型更加有效。液化天然氣在管道中流動(dòng)受壁面限制，壁面附近的流場變量梯度較大，使用Fluent自帶的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理液化天然氣管道的壁面，流體流動(dòng)時(shí)遵循能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、質(zhì)量守恒定律，在設(shè)置操作環(huán)境時(shí)，操作壓強(qiáng)選取默認(rèn)值，Y方向的重力加速度設(shè)置為-9.81g/cm3，定義流體的物理性質(zhì)時(shí)設(shè)置液化天然氣的密度為0.45 g/cm3，粘度為0.204Pa·s，在設(shè)置邊界條件時(shí)，將液化天氣管道模型的進(jìn)口設(shè)置為velocity-inlet，入口速度分別設(shè)置為0.5m/s，1.5m/s，outlet設(shè)置pressure-outlet，出口的壓強(qiáng)設(shè)置為0.35Mpa，設(shè)置液化天然氣管道的壁面的邊界條件為默認(rèn)條件，設(shè)置求解參數(shù)時(shí)，pressure-velocity Coupling對應(yīng)的是壓強(qiáng)-速度耦合求解方式，為了提高計(jì)算精度，把差分格式調(diào)整為二階精度，依次點(diǎn)擊Solve-Intialize對流場進(jìn)行初始化，初始條件對求解的影響特別大，所以給出的初始值盡量接近真實(shí)值，氣化站運(yùn)行壓強(qiáng)在0.4～0.6Mpa，將入口壓強(qiáng)設(shè)置為0.4Mpa，將殘差設(shè)置為0.000001，開始進(jìn)行迭代運(yùn)算。

3 結(jié)果分析

本模型存在兩個(gè)90°彎頭，圖1、圖2是當(dāng)進(jìn)口流速分別是0.5m/s、1.5m/s LNG管道速度流場分布圖，從圖1、圖2可以看出彎管處出現(xiàn)二次流現(xiàn)象，渦心靠近外側(cè)壁面，遠(yuǎn)離內(nèi)側(cè)壁面，管道內(nèi)側(cè)壁面對流場的約束作用較少，流速變化較小，彎頭外側(cè)壁面附近區(qū)域流速均迅速減少，這主要是彎道邊壁約束作用導(dǎo)致的。

圖3、圖4是當(dāng)進(jìn)口流速分別是0.5m/s，1.5m/sLNG管道壓強(qiáng)流場分圖，從圖3-4可以看出，彎管的最大壓力出現(xiàn)在彎管外側(cè)的附近區(qū)域，導(dǎo)致了在實(shí)際應(yīng)用中LNG管道最容易磨損的部位在彎管外側(cè)，流體壓強(qiáng)隨著管道的運(yùn)輸存在壓強(qiáng)損失而變小，彎頭內(nèi)側(cè)壁面附近區(qū)域壓強(qiáng)小，彎頭外側(cè)壁面附近區(qū)域壓強(qiáng)大，這主要是由于在彎頭處離心力作用流體被甩到外側(cè)壁面導(dǎo)致大量流體積聚在外側(cè)壁面導(dǎo)致；從中可以看出，進(jìn)口流速由0.5m/s提高至1.5m/s時(shí)，彎頭處的最小壓強(qiáng)由39980pa降低到388200pa，LNG流速對管道壓強(qiáng)分布有重要作用，流速越大，彎頭內(nèi)側(cè)處壓強(qiáng)越小。

4 結(jié)語

利用Fluent軟件對有壓LNG管道進(jìn)行了壓強(qiáng)場和速度場規(guī)律的探索，彎管處出現(xiàn)二次流現(xiàn)象，渦心靠近外側(cè)壁面，遠(yuǎn)離內(nèi)側(cè)壁面，管道內(nèi)側(cè)壁面對流場的約束作用較少，流速變化較小，彎頭外側(cè)壁面附近區(qū)域流速均迅速減少，彎管的最大壓力出現(xiàn)在彎管外側(cè)的附近區(qū)域，導(dǎo)致了在實(shí)際應(yīng)用中LNG管道最容易磨損的部位在彎管外側(cè)，隨著進(jìn)口流速的增加，彎頭處最小壓強(qiáng)逐漸減小。

參考文獻(xiàn)

[1] 甘紹警，周瑞平，甘少煒，等.船用LNG儲(chǔ)罐與管道應(yīng)力計(jì)算[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018（1）：35-40.

[2] 曹學(xué)文，吉俊毅，楊文.LNG卸料管道氮?dú)忸A(yù)冷溫度分布規(guī)律[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2016，35（5）：492-497.

[3] 張宇，欒江峰，張斯亮.基于FLUENT的壓強(qiáng)管道內(nèi)部流場分析[J].當(dāng)代化工，2014（6）：1106-1108.