摘要：氫氣作為全球脫碳目標(biāo)的重要載體，輸送量是限制其大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸。摻氫天然氣是實(shí)現(xiàn)大流量輸送氫氣的一種重要途徑。氫氣的摻入導(dǎo)致流速畸變，降低超聲波流量計(jì)的性能。以摻入氫氣的甲烷為主要工質(zhì)，對(duì)8種類型摻混管路內(nèi)部的氣體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬仿真研究，分析流場(chǎng)內(nèi)氣體速度和氫氣濃度的分布狀態(tài);并對(duì)超聲波流量計(jì)的適應(yīng)性進(jìn)行分析，確定其推薦安裝位置。在超聲流量計(jì)的適應(yīng)性分析中，三匝螺旋管時(shí)僅需15D;對(duì)于單螺旋結(jié)合變徑管的適應(yīng)性影響更大，最小需要96D。通過(guò)比較，摻混管路C為最佳模型，摻混均勻時(shí)的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)約為3.9%。可為超聲波流量計(jì)在摻氫天然氣正確計(jì)量方面提供參考。
溫室氣體排放量增加導(dǎo)致全球極端天氣頻發(fā)，碳中和戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型全球勢(shì)在必行叫。從《巴黎協(xié)定》無(wú)碳未來(lái)愿景及碳中和的全球目標(biāo)網(wǎng)到我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)問(wèn)，大規(guī)模氫氣輸送的綜合能源系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的有效途徑�？稍偕茉创罅Πl(fā)展及氫能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展為氫氣輸送和應(yīng)用的快速發(fā)展提供了條件間。預(yù)計(jì)到2050年，全球可再生氫能能源達(dá)到將近10°kW,全球氫能市值將達(dá)到10萬(wàn)億美元問(wèn)。但氫能的生產(chǎn)地與使用地嚴(yán)重不匹配導(dǎo)致氫能的發(fā)展受限。相比傳統(tǒng)高壓瓶、低溫液化等物理儲(chǔ)運(yùn)方式的小輸送量、高成本、長(zhǎng)耗時(shí)7，管道輸送可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大規(guī)模、低成本氫氣輸送且供氣量持續(xù)穩(wěn)定�；诂F(xiàn)有天然氣管網(wǎng)設(shè)施的優(yōu)勢(shì)，將氫氣摻入天然氣管道輸送是解決氫氣運(yùn)輸?shù)谋厝话l(fā)展趨勢(shì)閣。
氫氣的物理和化學(xué)性質(zhì)與天然氣有較大差異。氫氣摻入天然氣改變管道內(nèi)的氣體狀態(tài)引起溫度、壓力下降回，影響著輸送系統(tǒng)計(jì)量裝置的正確率。因此，對(duì)摻氫天然氣管道輸送過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)及計(jì)量至關(guān)重要。超聲波氣體流量計(jì)具有壓損小、精度高、響應(yīng)時(shí)間快和安全大等優(yōu)點(diǎn)，在天然氣計(jì)量領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地1011。超聲波流量計(jì)針對(duì)混合氣體的計(jì)量需保證氣體混合均勻及管道內(nèi)流速穩(wěn)定對(duì)稱。
目前全球天然氣摻氫工業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目共有39個(gè)，輸送量高達(dá)2900噸/年間。2004年，歐盟開(kāi)始建設(shè)NaturalHy項(xiàng)目進(jìn)行天然氣摻氫的應(yīng)用研究，得到系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)摻氫比為20%則。2017年，英國(guó)能源供應(yīng)公司開(kāi)展“HyDeploy”天然氣摻氫項(xiàng)目，在第一階段工作證明利用現(xiàn)有天然氣管道加入20%氫氣摩爾分?jǐn)?shù)是可行的5。2018年，國(guó)內(nèi)首個(gè)天然氣摻氫示范項(xiàng)目研究呵，得到3%~20%之間的任意摻氫比。這些工業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目為大規(guī)模天然氣摻氫進(jìn)行管道輸送提供了正確的依據(jù)。由于摻氫天然氣屬于易燃易爆氣體，通常會(huì)先利用計(jì)算流體力學(xué)理論方法對(duì)摻氫天然氣的流場(chǎng)進(jìn)行分析，并對(duì)超聲波流量計(jì)在管道中的適應(yīng)性進(jìn)行數(shù)值模擬。Chen等71對(duì)不同雷諾數(shù)下單右彎管和孔板下游的氫氣流動(dòng)進(jìn)行模擬分析。流量計(jì)位置越靠近擾動(dòng)裝置，其誤差越大，增加聲路數(shù)量可有效減少誤差。Liu等18對(duì)管件連接處之后的天然氣流動(dòng)進(jìn)行仿真分析，并給出了超聲波流量計(jì)安裝要求。邵欣等l9對(duì)最常見(jiàn)的90°單彎頭圓管過(guò)渡區(qū)甲烷流場(chǎng)的流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析。基于此安裝整流器可有效改善管道內(nèi)流場(chǎng)速度分布，縮短超聲波流量計(jì)的安裝位置。唐曉宇等20對(duì)90°單彎管道內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，隨下游直管距離增加，超聲波氣體流量計(jì)的計(jì)量偏差逐漸減小。當(dāng)管道內(nèi)流場(chǎng)分布非對(duì)稱時(shí)，會(huì)影響超聲波計(jì)量效果。擾動(dòng)越劇烈，氣體摻混效果越好。國(guó)內(nèi)外對(duì)于利用超聲波流量計(jì)進(jìn)行摻氫天然氣計(jì)量的模擬仿真研究主要集中在改進(jìn)聲道位置、數(shù)量、設(shè)置整流器、旋流器等，從而縮短超聲波流量計(jì)的安裝位置。缺少對(duì)管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，本文通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computationalfluiddynamics,CFD)仿真手段，研究摻氣天然氣管道結(jié)構(gòu)為螺旋管(單螺旋、雙螺旋、三螺旋、六螺旋)和單螺旋+變徑管(膨脹管或收縮管)內(nèi)的氣體混合規(guī)律及速度分布:并推薦了超聲波流量計(jì)在螺旋管路的安裝位置，為超聲波流量計(jì)的正確計(jì)量提供參考。
1摻氫天然氣管路模型
1.1數(shù)值仿真模型建立
為研究管路結(jié)構(gòu)對(duì)摻氫天然氣摻混狀態(tài)影響，本文在單螺旋管摻混管路的基礎(chǔ)上，使用Design.modeler構(gòu)建了8種摻混管路的3維模型，如圖1所示。摻混管路分別為不同匝數(shù)螺旋管(單螺旋A型、雙螺旋B型、三螺旋C型、六螺旋D型)和單螺旋管路結(jié)合變徑管路(單螺旋+后膨脹E型、單螺旋+后收縮F型、單螺旋+前膨脹G型、單螺旋+前收縮H型)。由于將密度較輕氫氣從底部充入天然氣管路能取得較好的摻混效果，因此設(shè)計(jì)從管路底部充入天然氣。具體參數(shù)設(shè)置為:管路直徑D=100mm,甲烷入口直徑為1D，氫氣入口直徑為0.5D，出口直徑為1D,螺旋管曲率半徑為2D。氫氣入口(支管軸線)距螺旋管起始截面長(zhǎng)度為3D，多匝螺旋管螺距為1.5D。膨脹管長(zhǎng)度為3D，膨脹管直徑最大處為.1.5D;收縮管長(zhǎng)度為3D，收縮管直徑最小處為0.5D。為使氣體充分摻混，將下游管路總長(zhǎng)度設(shè)置為150D。在計(jì)算不同匝數(shù)螺旋管及單螺旋管路結(jié)合變徑管路結(jié)果時(shí)，定義的長(zhǎng)度L是以螺旋.管終止截面為起點(diǎn)。
1.2數(shù)學(xué)模型
氣體流動(dòng)需滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程等基本控制方程。
天然氣和氫氣在摻混過(guò)程及在管道流動(dòng)中的連續(xù)性方程為
式中，p為流體微元體上的壓力;u為速度矢量;Fx,和Fy為微元體在x軸，y軸和z軸方向上的力;Txx，Tyx，Tzx，Txy，Tyy，，Tzy:，Txz，Tyz，Tzz為微元體表面的不同黏性應(yīng)力分量。
摻混過(guò)程及在管道流動(dòng)中的能量守恒定律為
式中，k為流體傳熱系數(shù)，Cp為比熱容，T為溫度，St為流體內(nèi)熱源和因黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能部分。
天然氣與氫氣摻混時(shí)需開(kāi)啟組分運(yùn)輸，此時(shí)管路中氣體的傳播規(guī)律
其中，ρCw為組分w的質(zhì)量濃度，Dw為組分w擴(kuò)散系數(shù)。
天然氣摻氫的過(guò)程中遵循理想氣體狀態(tài)方程。
由于摻混過(guò)程中的氣體參數(shù)(流量、壓力等)發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致?lián)交鞖怏w的密度、動(dòng)力黏度、狀態(tài)方程參數(shù)等產(chǎn)生變化。具體表達(dá)式
其中，Pop為摻混氣體的工作壓力，p為相對(duì)于Pop的局部相對(duì)壓力，R為氣體常數(shù)，T為氣體溫度，Yi為第i種氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Mɷi為第i種氣體.的分子質(zhì)量。
其中，Um為摻混氣體動(dòng)力黏度，M為氣體種類數(shù)，出為第i種氣體的摩爾百分比，ui為第i種氣體的動(dòng)力黏度，Mi為第i種氣體的相對(duì)分子質(zhì)量
本文以摻混均勻度u和速度變異系數(shù)(coffi-cientofvariation,COV)來(lái)評(píng)價(jià)混合程度，輸出不同數(shù)據(jù)采集線處氫氣濃度以及速度。
摻混均勻度μ計(jì)算公式為
其中，`a為監(jiān)測(cè)點(diǎn)氫氣濃度測(cè)量值的平均值，n為取樣截面內(nèi)所設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)，a;為第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所得的氫氣濃度值。各截面內(nèi)設(shè)置23個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行摻混均勻度μ的統(tǒng)計(jì)計(jì)算。
速度COV計(jì)算公式為
其中，σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，`c為監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量值的平均值，ci為第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所得的氣體速度值。各截面內(nèi)設(shè)置23個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行速度COV的統(tǒng)計(jì)計(jì)算。
1.3網(wǎng)格劃分
本文利用ANSYSWorkbench中的Mesh模塊，選用四邊形或三角形網(wǎng)格法對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng).格劃分。網(wǎng)格數(shù)量對(duì)Fluent仿真計(jì)算結(jié)果有至關(guān)重要的影響。理論.上所采用的特征尺寸網(wǎng)格越小，得到的仿真結(jié)果越正確。但隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，對(duì)計(jì)算硬件資源的要求更高，而且導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間延長(zhǎng)，降低求解結(jié)果的收斂性。本文以摻混管路A，E為代表，分析稀疏、中等、稠密三種網(wǎng)格特點(diǎn)對(duì)出口氫氣濃度變化的影響，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。結(jié)果如表1所示，隨網(wǎng)格數(shù)量增加，不同網(wǎng)格特點(diǎn)出口處氫氣摩爾分?jǐn)?shù)波動(dòng)很小。綜合網(wǎng)格平均偏斜系數(shù)和網(wǎng)格平均質(zhì)量系數(shù)分析，三種網(wǎng)格特點(diǎn)下的網(wǎng)格質(zhì)量均滿足模型需求，可以忽略網(wǎng)格對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果精度的影響。
基于上述無(wú)關(guān)性分析，本文選用中等特點(diǎn)的網(wǎng)格。網(wǎng)格尺寸為10mm,單元數(shù)為1220492個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為240017個(gè)。最終網(wǎng)格平均偏斜系數(shù)為0.20,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.11。偏斜系數(shù)在0~1范圍內(nèi)，越接近0網(wǎng)格質(zhì)量越優(yōu)秀。網(wǎng)格平均質(zhì)量系數(shù)為0.85，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.09。質(zhì)量系數(shù)在0~1范圍內(nèi)，越接近1網(wǎng)格質(zhì)量越高，網(wǎng)格質(zhì)量滿足模型需求。
1.4邊界條件設(shè)定
湍流模型選用最具有適用性的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,適用氣體摻混計(jì)算，在減小計(jì)算量的同時(shí)保證了計(jì)算精度。在操作條件中設(shè)定溫度為300K,重力沿y軸負(fù)方向?yàn)?.8m/s2。管道入口均設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件，主管道入口速度為6.75m/s(流量:190.8m3/h)，摻混管道入口速度為3m/s(流量:21.2m3/h);主管道和摻混管路入口初始湍流參數(shù)一致，湍流強(qiáng)度為5%，湍流黏度比為10。管道出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，出口回流湍流強(qiáng)度為5%，回流湍流黏度比為10。水力直徑為0.1m。主管道入口氣體為純甲烷，摻混管路入口氣體為純氫氣。將初始內(nèi)部工質(zhì)設(shè)為100%甲烷后進(jìn)行混合初始化，最后利用SIMPLEC算法進(jìn)行計(jì)算求解。
2結(jié)果與分析
2.1不同匝數(shù)螺旋管的氣體流動(dòng)分析
在工程實(shí)踐過(guò)程中對(duì)氣體的摻混效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，一般認(rèn)定當(dāng)摻混均勻度μ≥95%時(shí)，氣體在微觀.上已達(dá)到摻混均勻叫。如Kong等網(wǎng)以摻混均勻度μ是否≥95%，來(lái)判定現(xiàn)有天然氣管道中摻入氫氣是否摻混均勻。氣體在傳輸擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)改變氣體組分的濃度分布，同時(shí)影響氣體流速分布。甲烷和氫氣流經(jīng)螺旋管摻混管路時(shí)，會(huì)受到強(qiáng)烈二次流以及高濃度差的影響，加速氣體擴(kuò)散，管路中的氣體最終向摻混均勻的方向發(fā)展。如圖2所示為摻混管路(A，B，C，D)內(nèi)氣體摻混均勻度與螺旋管出口截面位置的關(guān)系。螺旋管管路的氣體混合均勻性均隨著管路匝數(shù)和摻混距離的增加呈現(xiàn).上升趨勢(shì)。螺旋管路的匝數(shù)越多，摻混均勻所需的摻混距離越短。摻混管路A和B分別在146D和69D時(shí)實(shí)現(xiàn)氣體摻混均勻。而當(dāng)選用匝數(shù)為3圈的摻混管路C時(shí)，在螺旋管出口3D的距離，摻混均勻度已經(jīng)達(dá)到摻混均勻的要求。由此可知，增加螺旋管的匝數(shù)可以非常有效地縮短摻混距離，摻混管路C的效果已經(jīng)非常好。若再增加匝數(shù)到六螺旋(摻混管路D)已無(wú)實(shí)際意義，反而會(huì)導(dǎo)致?lián)交炀鶆驎r(shí)的距離增加到15D。
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為了更清晰明了地觀察天然氣摻氫混摻管路(A，B，C,D)的摻混過(guò)程，以四種摻混管路的螺旋管出口為起始點(diǎn)，每隔1D設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)截面。本文得到數(shù)據(jù)均是瞬態(tài)仿真的結(jié)果，在初始時(shí)刻氫氣摩爾分?jǐn)?shù)為0，表示氫氣還沒(méi)擴(kuò)散至指定位置。如圖3所示摻混裝置C為最佳摻混模型，在15D截面處，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)隨注入時(shí)間，由0到9.8%的變化過(guò)程。氫氣流動(dòng)擴(kuò)散1.03s后，初次達(dá)到摻混均勻時(shí)，在15D截面處瞬時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)為3.9%。天然氣摻氫混摻管路A，B,C，D分別經(jīng)過(guò)3.92s，2.19s，1.50s，2.03s后，氫氣的濃度等于進(jìn)口氫氣與甲烷的流量比(仿真結(jié)果是取到9.8%)，表示氫氣已擴(kuò)散至指定位置，并達(dá)到穩(wěn)態(tài)。圖4~圖7是天然氣摻氫混摻管路A、B、C、D分別在2.11s(146D截面處)、1.40s(69D截面處)、1.03s(15D截面處)、1.37s(15D截面處)時(shí)刻，摻混管路在不同距離截面處的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖，與穩(wěn)態(tài)時(shí)的摩爾分?jǐn)?shù)不同。
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如圖4所示摻混管路A在螺旋管路出口處渦流作用非常劇烈，其分層現(xiàn)象明顯。且不同于--般氫氣的上下分層，摻混管路A中管道中的氫氣直存在左右分層，直至摻混距離在140D~150D達(dá)到摻混均勻，此時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)均約為0.8%。圖5所示摻混管路B的管路截面氫氣濃度分布變化規(guī)律與圖4相似，直至摻混距離在65D~70D達(dá)到摻混均勻，氫氣基本不再分層，此時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)均約為1.9%。而圖6所示的摻混管路C在螺旋管道出口處就已經(jīng)基本達(dá)到摻混.均勻，氫氣已基本不存在分層，此時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)均約為3.9%。相比摻混管路C的三匝螺旋管，圖7所示摻混管路D增加到六匝螺旋的摻混效果反而下降。螺旋管道出口氫氣分層，直至摻混15D時(shí)達(dá)到摻混均勻，氫氣不再分層，此時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)約為2.0%。
氣體摻混后速度分布云圖，如圖8所示，速度變化受匝數(shù)影響較小。摻混管路A和B均約在15D之后，摻混管路C約在10D之后，速度等高線變得非常規(guī)則，越來(lái)越趨近于圓形，而摻混管路D約在40D后能達(dá)到同樣效果。此時(shí)這四種類型摻混管路內(nèi)的氣體速度已達(dá)到充分穩(wěn)流發(fā)展的狀態(tài)，之后基本不再發(fā)生變化。流速分布很.合理，距離管道中心線越近其速度越快，符合黏性定律。
摻混管路(A，B，C，D)速度COV與截面位置的關(guān)系如圖9所示。隨著截面位置向下游移動(dòng)，摻混管路(A，B,D)的速度COV一直處于波動(dòng)狀態(tài)，但皆不超過(guò)15%。相比于A，B和D，摻混管路C內(nèi)氣體速度分布更為均勻，其速度COV-直穩(wěn)定在5%左右。綜合考慮氣體摻混均勻度μ和速度COV,摻混管路C為最佳摻混模型。
2.2單螺旋結(jié)合變徑管的氣體流動(dòng)分析
如圖10所示為摻混管路(E，F(xiàn)，G，H)的管路內(nèi)氣體摻混均勻度與截面位置關(guān)系，摻混管路E，F(xiàn)，G，H是在單螺旋的基礎(chǔ)上添加變徑管(膨脹管或收縮管)，分別在136D，132D,107D，96D處時(shí)實(shí)現(xiàn)氣體摻混均勻。相比單螺旋管的146D，在不同位置添加任何變徑管均能在.不同程度.上實(shí)現(xiàn)縮短摻混距離的效果。將變徑管置于單螺旋管之前氣體初步摻混后再進(jìn)入單螺旋管進(jìn)一步摻混，明顯比置于單螺旋管之后更能有效地縮短摻混。而氣體進(jìn)入收縮管內(nèi)流動(dòng)速度會(huì)增大，此時(shí)的擾動(dòng)更加劇烈，有助于氣體摻混。針對(duì)變徑管位置及類型，摻混管路H(即前收縮.管)的摻混效果更好。
本組所得數(shù)據(jù)是瞬態(tài)仿真的結(jié)果，在初始時(shí)
刻氫氣摩爾分?jǐn)?shù)為0，表示氫氣還沒(méi)擴(kuò)散至指定位置。如圖11摻混裝置H為最佳摻混模型，在96D截面處，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)隨注入時(shí)間，由0到9.8%的變化過(guò)程。氫氣流動(dòng)擴(kuò)散1.53s后，初次達(dá)到摻混均勻時(shí)，在96D截面處瞬時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)為1.6%。天然氣摻氫混摻管路E，F(xiàn)，G，H
分別經(jīng)過(guò)3.06s，2.95s，2.94s，2.48s后，氫氣的濃度等于進(jìn)口氫氣與甲烷的流量比(仿真結(jié)果是取到9.5%)，表示氫氣已擴(kuò)散至指定位置，并達(dá)到穩(wěn)態(tài)。圖12~圖15是天然氣摻氫混摻管路E，F(xiàn)，G，H分別在1.91s、1.89s、1.69s、1.53s時(shí)刻，摻混管路在不同距離截面處的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖，與穩(wěn)態(tài)時(shí)的摩爾分?jǐn)?shù)不同。.
對(duì)比圖12~圖15，四種類型摻混管路的管道截面氫氣濃度變化規(guī)律很相似。在螺旋管道出口.處氫氣均存在明顯的左右分層現(xiàn)象。但隨著距離的增加，最終均能達(dá)到摻混均勻，氫氣基本不再有分層的狀態(tài)。但不同類型管道達(dá)到此狀態(tài)所需的距離不一。如圖12所示摻混管路E需約130D~140D的距離才能達(dá)到此狀態(tài)，此時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)約為0.9%;圖13所示的摻混管路F同樣需約130D~140D的距離達(dá)到此狀態(tài)，此時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)比摻混管路E略大，約為1%;圖14所示的摻混管路G需約100D~110D的距離達(dá)到此狀態(tài)，此時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)約為1.2%;圖15所示的摻混管路H需約90D~100D的距離達(dá)到此狀態(tài)，此時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)約為1.6%。
氣體摻混后速度分布云圖如圖16所示。管道尺寸的變化會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的氣體流動(dòng)速度突變，使得氣體速度穩(wěn)定下來(lái)所需的距離更遠(yuǎn)。摻混管路E，F(xiàn)，G，H均在約30D之后，速度等高線形狀穩(wěn)定下來(lái)，比單螺旋管(15D)的截面距離大一倍。
摻混管路(E，F(xiàn)，G，H)速度COV與截面位置的關(guān)系如圖17所示。初始截面位置時(shí),摻混管路(E，H)的速度COV最大，約為17%。而隨著截面位置向管道的下游移動(dòng)，這四種類型的摻混管路的速度COV均穩(wěn)定在8%附近。雖然四種類型的摻混管路最終穩(wěn)定時(shí)的COV差別很小，但相比摻混管路(E，F(xiàn)，G),摻混管路(H)的速度COV達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需的距離最短，僅需10D。故摻混管路H為最佳摻混模型。
本文設(shè)置為10%的摻混比，穩(wěn)態(tài)仿真的時(shí)候，組分濃度只是依賴于進(jìn)口流量比。但在瞬態(tài)仿真的時(shí)候，組分濃度不僅依賴于進(jìn)口流量比，還跟流體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間、狀態(tài)有關(guān)。瞬態(tài)計(jì)算中，發(fā)展階段變化屬于介質(zhì)置換過(guò)程(初始管內(nèi)全部甲烷)，詳細(xì)討論各摻混管路的氫氣濃度演化的過(guò)程。而達(dá)到穩(wěn)定后，沿程的變化特征反映的是氫氣和甲烷分層及其滑移效果，氫氣密度小，相同截面間壓差會(huì)有更大的流動(dòng)速度，摩爾濃度小于進(jìn)口流量直接計(jì)算值。通過(guò)對(duì)比在相同截面位置的摻混管路A氫濃度(圖4)對(duì)應(yīng)速度(圖8)以及摻混管路E的氫濃度(圖12)對(duì)應(yīng)速度(圖16)分析可得:只有當(dāng)二者摻混均勻后，氣體組分間相互作用，均質(zhì)、同速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)口流量直接計(jì)算的摩爾濃度才與實(shí)際相符。計(jì)算結(jié)果氫氣摩爾濃度偏低9.8%(入口設(shè)置的10%)，正反映了非均勻摻混狀態(tài)，甚至明顯分層結(jié)構(gòu)下，氫氣流速高過(guò)甲烷，存在明顯介質(zhì)間滑移現(xiàn)象這個(gè)事實(shí)。也進(jìn)一步證明摻混效果對(duì)真實(shí)速度正確和正確測(cè)量的必要性。
2.3適應(yīng)性條件
只有當(dāng)混合氣體摻混均勻，且管道內(nèi)氣體流速已達(dá)到充分穩(wěn)流的對(duì)稱分布狀態(tài)時(shí)，才能保證超聲波流量計(jì)計(jì)量的正確率。因此，本文結(jié)合不同結(jié)構(gòu)的摻混管路仿真模擬結(jié)果，保證超聲流量計(jì)計(jì)量正確率的推薦安裝位置如表2所示。由表2可知螺旋管的匝數(shù)以及變徑管位置對(duì)流量計(jì)安裝距離的影響最大。
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3結(jié)論
為研究不同天然氣摻氫管路結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波流量計(jì)安裝距離的影響，本文針對(duì)不同匝數(shù)螺旋管路、單螺旋結(jié)合變徑管路進(jìn)行CFD仿真模擬，得到氫氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖以及反映其摻混均勻度的μ和COV的變化規(guī)律，最終得到最佳摻混模型及超聲波流量計(jì)安裝距離。具體內(nèi)容如下。
(1)對(duì)于不同匝數(shù)螺旋管的氣體流動(dòng)分析,在0~20D間μ的變化最為劇烈，即此時(shí)氣體擾動(dòng)最為劇烈，氣體摻混主要在這一范圍進(jìn)行。一般螺旋的匝數(shù)越多，超聲流量計(jì)安裝距離越短。當(dāng)增加到三螺旋時(shí)僅需15D。此后再增加匝數(shù)已無(wú)實(shí)際意義，增加到六螺旋時(shí)的超聲流量計(jì)安裝距離仍為15D。.
(2)對(duì)于單螺旋結(jié)合變徑管的氣體流動(dòng)分析，在0~25D間μ的變化最為劇烈，此范圍氣體摻混效率更好。相比變徑管的類型，其安裝位置明顯對(duì)超聲流量計(jì)安裝距離影響更大。同樣的膨脹管安裝在前端(107D)比后端(136D)所需的距離少19D，同樣的收縮管安裝在前端(96D)比后端(136D)所需的距離少26D。而同樣位置的不同類型變徑管，其超聲流量計(jì)安裝距離差異性較小。
(3)不同匝數(shù)螺旋管下，摻混裝置C為最佳摻混模型，氫氣流動(dòng)擴(kuò)散初次達(dá)到摻混均勻度μ時(shí)，在15D截面處瞬時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)為3.9%;單螺旋管結(jié)合變徑管下，摻混管路H為最佳摻混模型，氫氣流動(dòng)擴(kuò)散初次達(dá)到摻混均勻度μ時(shí)，在96D截面處瞬時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)為1.6%。
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