有限元模型在深海可燃冰管道輸送中的運(yùn)用研究

謝秋敏，歐陽(yáng)洪

（湖南工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002）

可燃冰又稱為天然氣水合物（Natural Gas Hydrates，簡(jiǎn)稱為NGH），其能量密度高、儲(chǔ)量巨大，燃燒后生成物為對(duì)環(huán)境無(wú)污染的水和二氧化碳，在傳統(tǒng)能源緊缺、世界各國(guó)大力推進(jìn)新能源建設(shè)的情況下具有非常大的應(yīng)用前景，各國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)采。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，對(duì)深海可燃冰進(jìn)行過(guò)探究的開(kāi)采方法主要有降壓法、熱激發(fā)法、注入化學(xué)試劑法、CO2置換法和固態(tài)開(kāi)采法，其中中南大學(xué)徐海良教授研究團(tuán)隊(duì)在固態(tài)開(kāi)采法研究中得到了一些成果。本文介紹固態(tài)開(kāi)采法。

1 研究方法和研究對(duì)象簡(jiǎn)述

如圖1所示，采礦車通過(guò)絞吸式采集方法將包含可燃冰的海底沉積物通過(guò)軟管輸送到硬管中，其中動(dòng)力提供依靠采礦車的輔助泵和硬管下端的主泵，其核心結(jié)構(gòu)為一接近于海深的硬管（4000m），可燃冰分解達(dá)到分解器后通過(guò)儲(chǔ)存容器輸送至儲(chǔ)運(yùn)船，礦渣通過(guò)尾礦管排入海底，此過(guò)程可燃冰的分解可控、不破壞海底底層環(huán)境，其核心結(jié)構(gòu)的硬管中可燃冰顆粒——海水兩相流體以及可燃冰分解后的可燃冰顆粒——甲烷氣體——海水三相流體為此方法主要研究對(duì)象。

圖1

1.1 模型選擇

進(jìn)行數(shù)學(xué)建模前進(jìn)行理想流體假設(shè)，即固液或固液氣相不可壓、均勻，且固氣相為顆粒均勻球體，無(wú)相與相間熱傳遞。

2 數(shù)學(xué)模型選擇

ANASYS FLUENT是廣受歡迎的流體力學(xué)模擬仿真軟件，通過(guò)以質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒為依據(jù)推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型包括零方程模型、單方程模型和雙方程模型，雙方程模型又有標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、改進(jìn)的k-ε湍流模型等，固液氣三相流增加了 CFD-PBM（PBM：Population Balance Model）的群體平衡模型。而本分析實(shí)例采用ANASYS FLUENT提供的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬固液兩相流。

2.1 網(wǎng)格模型劃分

網(wǎng)格可分為機(jī)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)于形狀不規(guī)則的實(shí)體，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可降低網(wǎng)格劃分的工作時(shí)間，而對(duì)于本實(shí)例中的垂直硬管，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)于計(jì)算分析的時(shí)間和精度更有利。為了計(jì)算的可行性，選取10m長(zhǎng)垂直硬管作為研究對(duì)象。具體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

3 計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 計(jì)算模型選擇

圖2

在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε是兩個(gè)基本未知量，并假設(shè)湍動(dòng)粘度μi是各向同性的，與之相對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程為：

式中：Gb為浮力引起的湍動(dòng)能K的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；αk、αε為湍動(dòng)能K和湍動(dòng)耗散率ε相對(duì)應(yīng)的 Prantdtl數(shù)；Sk、Sε為用戶定義的源項(xiàng)；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能K的產(chǎn)生項(xiàng)，見(jiàn)式（3）：

對(duì)于垂直管道固液兩相流方向的仿真，因從幾何尺寸上可認(rèn)為是直上直下的流線，旋流情況并不明顯，所以可以采用收斂性較好的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，此模型各經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的數(shù)值如表1所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算仿真和后處理，得到速度、各相分布云圖等，以可燃冰未分解時(shí)固液兩相顆粒分布為例，結(jié)果顯示采礦車鉸刀破碎的可燃冰顆粒粒徑越小，管道輸送過(guò)程中提升的顆粒分布更均勻，有利于輸送更穩(wěn)定，也使得提升效率更高。

同理，流速越小（不小于垂直提升和水平提升的最低流速），可燃冰含量越大、濃度越高，采礦效率越高，此理論研究對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。