旋流后置型超音速分離管數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

劉興偉 劉中良 鮑玲玲

(1北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124)

(2中國(guó)建筑科學(xué)研究院建研科技股份有限公司 北京 100013)

1 引言

天然氣超音速脫水技術(shù)［1-4］將膨脹機(jī)、分離器和壓縮機(jī)的功能集中到一個(gè)管道中，形成體積小、質(zhì)量輕、成本低、可靠性高的脫水橇裝裝置。該技術(shù)將成為甘醇脫水和透平膨脹機(jī)法之后的更經(jīng)濟(jì)、更可靠的脫水技術(shù)，是當(dāng)今天然氣脫水技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前已經(jīng)有大量學(xué)者針對(duì)該技術(shù)展開了研究，劉恒偉［5］以濕空氣為工質(zhì)，根據(jù)渦流管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理搭建了中國(guó)國(guó)內(nèi)第一個(gè)超音速分離管室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)，并首次對(duì)超音速分離管技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。蔣文明［6］利用新型天然氣超音速脫水凈化裝置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果顯示超音速分離管不僅可以進(jìn)行脫水處理還可進(jìn)行輕烴回收工作。馬慶芬［7］等研制了錐芯超音速旋流分離裝置，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。曹學(xué)文［8-9］等設(shè)計(jì)的超聲速旋流分離器將靜態(tài)導(dǎo)向葉片安裝在拉伐爾噴管之前，并針對(duì)此種旋流前置型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方面的研究。龐會(huì)中［10］、鮑玲玲［11］等也對(duì)超音速分離管進(jìn)行研發(fā)改進(jìn)，改進(jìn)后的裝置在分離效果方面有一定程度的提高。

目前對(duì)分離管采用實(shí)驗(yàn)研究存在一定的困難，數(shù)值計(jì)算方法(CFD)則可以方便的對(duì)分離管內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行研究。蔣文明［12］針對(duì)超音速分離管的基本結(jié)構(gòu)和分離機(jī)理，對(duì)裝置內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了合理假設(shè)，建立了二維幾何模型，對(duì)分離管內(nèi)部的激波和旋流現(xiàn)象進(jìn)行了研究。Bart Prast［13］等人利用CFD模型對(duì)Twister分離管進(jìn)行改進(jìn)，并且利用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)CFD模型進(jìn)行了驗(yàn)證。文闖［14］采用RSM模型對(duì)超音速分離管的擴(kuò)壓段進(jìn)行研究，研究結(jié)果顯示超音速分離管在較高壓力恢復(fù)率下采用圓錐形擴(kuò)壓管可以得到較好的分離效果，同時(shí)研究了旋流對(duì)激波位置的影響。Jassim E［15-16］利用計(jì)算流體力學(xué)的方法研究高壓天然氣在超音速噴管中的流動(dòng)情況，并且考慮實(shí)際氣體狀態(tài)對(duì)流動(dòng)的影響，采用精確的狀態(tài)方程建立計(jì)算模型并與按理想氣體建立的模型結(jié)果進(jìn)行比較，同時(shí)分析了激波位置的變化情況。

目前該技術(shù)的旋流分離效率遠(yuǎn)未達(dá)到理想的效果，需要進(jìn)一步配合優(yōu)化，而詳細(xì)了解超音速分離管內(nèi)部流場(chǎng)變化對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到非常關(guān)鍵的作用。因此，本研究結(jié)合熱力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)基本理論對(duì)分離管各部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服原有分離管［5，17］不足，提出一種新型超音速分離管結(jié)構(gòu)，使各部分之間銜接的更加緊密，同時(shí)采用三維數(shù)值模擬方法對(duì)分離管內(nèi)部的高速旋流流場(chǎng)進(jìn)行研究。搭建了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分別以飽和濕空氣和干空氣為工質(zhì)對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，分析壓損比和露點(diǎn)降等參數(shù)對(duì)分離效率的影響。

2 超音速分離管的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天然氣超音速脫水技術(shù)基本工作原理:首先利用Laval噴管的膨脹降壓效應(yīng)將高壓(低速)混合氣體變?yōu)榈蛪焊咚贇怏w。在高壓-低壓轉(zhuǎn)變過程中，氣體膨脹、提速、降溫。隨著溫度的降低，天然氣中的水和重質(zhì)烷烴組分變成態(tài)凝析出來。從Laval噴管出來的氣液混合物進(jìn)入旋流段，此階段由于高速旋轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生強(qiáng)大的向心力，使液體顆粒從氣液混合物中分離出來。最后，脫掉水分和重質(zhì)烷烴組分的干氣流進(jìn)入擴(kuò)壓管，將高速、低壓氣流，恢復(fù)為高壓低速氣流。

超音速分離管如圖1所示在主體結(jié)構(gòu)上仍然沿用原有分離管［5，17］部分:Laval噴管、直管段、旋流段、擴(kuò)壓段。但是在旋流器的安放位置上做了改變，同時(shí)旋流器的結(jié)構(gòu)也做了相應(yīng)的變化。旋流器的作用是產(chǎn)生高速旋流，使氣液兩相在不同離心力作用下產(chǎn)生分離。超音速分離管旋流器部分的設(shè)計(jì)既要達(dá)到產(chǎn)生高速旋流的目的，又要注意和其它的部件相協(xié)調(diào)。原有噴管旋流段中有的旋流器位置過于靠后，這樣就會(huì)使通過Laval噴管凝結(jié)以后的液滴顆粒在直管段出現(xiàn)明顯降速，旋流長(zhǎng)度過短使高速流動(dòng)中氣液來不及完全分離，削弱旋流分離的作用;原有旋流器設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，加大了流動(dòng)阻力也不利于氣液分離同時(shí)會(huì)使?jié)駳獬隹诋a(chǎn)生過多的分流。為了克服這些不足新分離管旋流器固定在直管段的入口處，旋流器采用單片螺旋結(jié)構(gòu)，這樣既可以使膨脹加速后的流體產(chǎn)生充分旋流，也克服了旋流阻力過大的問題。

圖1 新型超音速分離管內(nèi)部工作原理示意圖Fig.1 Sketch map of working principle for new supersonic separator

3 數(shù)值模擬

研究通過對(duì)超音速分離管的計(jì)算區(qū)域和湍流模型進(jìn)行合理的處理，建立三維CFD模型，借助求解器(Fluent14.0)設(shè)計(jì)合適的算法對(duì)超音速分離管內(nèi)部三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。所建立的物理模型具體尺寸如表1所示。

表1 分離管各段的基本尺寸Table 1 Basic dimensions of each part mm

為了避免一些不相關(guān)因素的干擾，在此模擬過程中進(jìn)行一些基本的假設(shè):(1)管內(nèi)流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng);(2)分離管內(nèi)部流動(dòng)沒有內(nèi)熱源存在;(3)管內(nèi)工作介質(zhì)可壓縮氣體;(4)分離管絕熱良好，管壁與外界無熱量交換。

3.1 控制方程和湍流模型

分離管中的流動(dòng)要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括:質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。考慮管內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)膨脹流動(dòng)，必須選擇合適的湍流模型才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分離管內(nèi)的旋流和分離過程，F(xiàn)LUENT14.0提供了相關(guān)的控制方程和湍流輸運(yùn)方程。在綜合對(duì)比不同的湍流模型的優(yōu)劣后，選用realizable k-ε模型可以獲得較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。

3.2 邊界條件和離散格式的選擇

模擬中分離管的入口邊界條件設(shè)置為壓力入口邊界條件，入口壓力變化范圍為0.4ˉ0.71 MPa，溫度設(shè)定為301.15 K，在設(shè)置入口邊界條件時(shí)需要同時(shí)確定湍流強(qiáng)度和水力直徑。經(jīng)過計(jì)算得出超音速分離管中的流動(dòng)具有較高的旋流強(qiáng)度，模擬中設(shè)置的旋流強(qiáng)度為3.0%，水力直徑為0.036 m。出口也設(shè)置為壓力出口邊界條件，數(shù)值為0.21ˉ0.53 MPa。

求解過程中選擇壓力-速度耦合算法進(jìn)行區(qū)域離散化后的計(jì)算。壓力插值格式選擇SIMPLE算法，能量、動(dòng)量、密度項(xiàng)等選用二階迎風(fēng)格式確保計(jì)算精度。為準(zhǔn)確反映分離管內(nèi)部流場(chǎng)的特性根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果，針對(duì)旋流器附近的流場(chǎng)采用梯度自適應(yīng)函數(shù)進(jìn)行流場(chǎng)的修正，這樣可以更好的預(yù)測(cè)高速流體流過旋流器產(chǎn)生的溫度突變和壓力跳躍現(xiàn)象。

3.3 網(wǎng)格劃分及獨(dú)立性驗(yàn)證

超音速分離管數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)分離管的內(nèi)部流動(dòng)，考慮分離管內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性，將分離管的計(jì)算區(qū)域分成6部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用3種網(wǎng)格類型，各部分之間采用interface界面進(jìn)行銜接，以保證各部分不同網(wǎng)格類型之間的數(shù)據(jù)可以順利流通。各部分的網(wǎng)格類型如圖2所示。

圖2 主體計(jì)算網(wǎng)格及分區(qū)網(wǎng)格示意圖Fig.2 Main computational grid and grid partition schemes

通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，得出當(dāng)劃分網(wǎng)格數(shù)在10萬、50萬、80萬和100萬時(shí)，Laval噴管軸心處的壓力變化如圖3所示，可看出當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到80萬以上時(shí)，計(jì)算結(jié)果基本上不再變化，因此模擬中所采用的網(wǎng)格數(shù)為815 005個(gè)。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)下Laval噴管段的壓力變化曲線Fig.3 Pressure contrast with different grid number in Laval nozzle section

3.4 數(shù)值模型的驗(yàn)證與確認(rèn)

為了檢驗(yàn)所建立數(shù)值模型的有效性。將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用在已有實(shí)驗(yàn)裝置［5，17］得出數(shù)值結(jié)果，圖3顯示了數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果［5］的對(duì)比曲線。

實(shí)驗(yàn)中的工質(zhì)為飽和濕空氣，從對(duì)比結(jié)果(圖4)中看出采用數(shù)值模擬所得到的溫度與文獻(xiàn)［5］所得到的溫度有一定的偏差，產(chǎn)生的原因是其內(nèi)部的Laval噴管膨脹降溫效應(yīng)使得溫度變得很低，此時(shí)氣體的狀態(tài)將偏離理想狀態(tài)，從而影響計(jì)算結(jié)果。但從整體流動(dòng)來看模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)是一致的，因此對(duì)比結(jié)果可以說明采用本文的模型來計(jì)算超音速分離管內(nèi)部流場(chǎng)的參數(shù)分布是可行的。

圖4 超音速分離管在壓損比為75%時(shí)數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig.4 Comparison of simulation result versus experimental results

3.5 模擬結(jié)果與分析

將數(shù)值模型應(yīng)用于新型超音速分離管，得到的三維溫度分布如圖5，可以看出在Laval噴管的漸擴(kuò)段出現(xiàn)低溫，說明該分離管具有顯著的降溫效果。

圖5 超音速分離管內(nèi)部溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature distribution inside supersonic separator

選取分離管軸心線上的參數(shù)(包括壓力、溫度、馬赫數(shù)和湍動(dòng)能)進(jìn)行分析。圖6和圖7給出了軸心線上不同參數(shù)的變化，可以看出沿著軸向位置溫度和壓力在Laval噴管的漸擴(kuò)段達(dá)到最低值，此時(shí)該處的馬赫數(shù)也達(dá)到最大為1.74。同時(shí)可以看出在距入口100 mm處發(fā)生較為明顯的激波。從圖7中的變化曲線關(guān)系可以看出在流動(dòng)中存在較為劇烈的湍流波動(dòng)現(xiàn)象。沿流動(dòng)方向出現(xiàn)的第一次湍流增強(qiáng)點(diǎn)是由于Laval噴管的膨脹降溫過程引起的流動(dòng)不穩(wěn)定造成的;在固定旋流器位置處湍動(dòng)能變得更強(qiáng)，因?yàn)楦咚倭黧w到達(dá)旋流器時(shí)由于旋流葉片的導(dǎo)向作用使湍流脈動(dòng)現(xiàn)象加劇;在直管段由于該部分具有整流作用該段引起的湍流變化較小，而當(dāng)流體通過濕氣支管分離出一部分流體同時(shí)由于擴(kuò)壓管逆壓梯度作用此處湍流脈動(dòng)現(xiàn)象又會(huì)變得更加劇烈。研究討論超音速分離管不同截面上的參數(shù)分布，所截取參考面的具體位置如表2所示。

圖6 軸向壓力、溫度變化曲線Fig.6 Pressure and temperature distribution along axial direction

圖7 軸向馬赫數(shù)、湍動(dòng)能變化曲線Fig.7 Mach number and turbulence kinetic energy distribution along axial direction

表2 所取截面名稱及各截面的具體位置Table 2 Names and positions of each section

圖8中看出不同截面上壓力變化差別較大，在Laval噴管喉部(s-a截面處)由于流通面積縮小引起的壓力突變現(xiàn)象比較明顯;s-b為激波發(fā)生的位置此截面的壓力比較低，s-j截面為濕氣分離處流量的變化使的壓力再次出現(xiàn)變化;從溫度沿徑向分布的情況(圖9)可以看出分離管各截面中心處的溫度比外層的溫度要高，這種溫度分層現(xiàn)象對(duì)高速流動(dòng)中的凝結(jié)分離是有利的，因?yàn)槌羲俜蛛x管產(chǎn)生膨脹凝結(jié)后，由于旋流器產(chǎn)生離心力作用外層流體團(tuán)中積聚大量凝結(jié)成核的微小液滴，當(dāng)外層溫度低于內(nèi)層溫度時(shí)，可以避免在分離整流段由于摩擦及二次流引起的液滴二次蒸發(fā)現(xiàn)象。

圖8 各截面處徑向壓力的變化關(guān)系Fig.8 Pressure distribution along radial direction at different sections

圖9 各截面處溫度的變化關(guān)系Fig.9 Temperature distribution along radial direction at different sections

速度大小對(duì)于超音速分離管的分離效率有很重要的影響，速度可以通過馬赫數(shù)體現(xiàn)，因此觀察各截面馬赫數(shù)的變化(圖10)可以發(fā)現(xiàn)除了截面s-d處其余截面馬赫數(shù)的變化規(guī)律是一致的，即沿軸心到壁面處先增加至一極值，而后又會(huì)降低;在馬赫數(shù)變化關(guān)系曲線中還可以發(fā)現(xiàn)在旋流分離段(s-e、s-f處)速度突變趨勢(shì)明顯變緩，這對(duì)超音速分離管在直管段的漸變整流是有利的。分離管中實(shí)現(xiàn)氣液分離切向速度是非常重要的參數(shù)，圖11給出了各截面處切向速度的變化，從圖11中看出在旋流產(chǎn)生器下游各截面上的切向速度比較大，在截面s-d處最大切向速度可以達(dá)到140 m/s，可以說明旋流后為濕氣分離提供有利的動(dòng)力學(xué)條件。對(duì)比圖11中不同截面上切向速度的變化關(guān)系可知，流體沿著旋流產(chǎn)生器下游旋流強(qiáng)度逐漸減弱。說明超音速分離管直管分離段的長(zhǎng)度不能過長(zhǎng)，否則會(huì)使氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度無法產(chǎn)生足以使液滴分離的動(dòng)力。但是在截面s-g處由于結(jié)構(gòu)引流縫的分離效果，使得該截面上的切向速度有一定程度的增強(qiáng)。

圖10 各截面處徑向馬赫數(shù)的變化關(guān)系Fig.10 Mach number distribution along radial direction at different sections

圖11 各截面處切向速度的變化關(guān)系Fig.11 Vorticity magnitude distribution along radial direction at different sections

4 實(shí)驗(yàn)研究

由于超音速分離管與工程實(shí)際聯(lián)系比較密切，數(shù)值模擬只是理論方面的預(yù)測(cè)。要想檢查實(shí)際效果，還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖12給出了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)圖。

圖12 新型超音速分離管室內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.12 Experimental system diagram for new type supersonic separator

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)的目的有兩個(gè):一是對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證;二是檢驗(yàn)新裝置的脫水分離效果。從工程角度看，希望分離管具有良好的分離性能和壓力特性。分離性能的好壞用露點(diǎn)變化來評(píng)價(jià)。露點(diǎn)降越大分離性能越好。壓力特性是指氣體經(jīng)過分離管的壓力損失，壓力損失越小，壓力特性越好。因此分離效果好的分離管能夠在合適的壓力損失下獲得較大的露點(diǎn)降。首先定義兩個(gè)與分離管的脫水效率有關(guān)的參數(shù):

(1)壓損比γ:分離管的壓力損失Δp與入口表壓力及環(huán)境大氣壓力和p0+pe的比值，即:

式中:p0為超音速分離管的入口壓力，MPa;pd為干氣出口壓力，MPa;pe為環(huán)境壓力(取0.1 MPa)。

該參數(shù)反映了超音速分離管的壓力損失特性。該數(shù)值越小，說明裝置的壓力損失越小，壓損比是超音速分離管最重要的性能參數(shù)之一。

(2)露點(diǎn)降ΔTd(℃):分離管入口處氣體露點(diǎn)Td1(℃)與干氣出口露點(diǎn)Td2(℃)的差值，即:

露點(diǎn)降同樣也是超音速分離管最重要的參數(shù)之一，它直接反映了超音速分離管的氣液分離性能，該值越大，說明其脫水深度越深。

超音速分離管的原理是利用高速流體的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，將氣液混合物中的含濕氣流分離，被分離的濕氣流量在一定程度上也顯示了分離管分離效果的優(yōu)劣。分離出去的濕流體流量比定義為ω。

式中:min為氣體的入口流量，m3/h;mout為濕氣出口的流量，m3/h。

關(guān)于不同的壓損比下濕氣流量比的變化關(guān)系，圖13顯示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的對(duì)比。

圖13 濕氣分離比隨壓損比的變化Fig.13 Wet gas separation versus pressure loss ratio

從圖13中的對(duì)比關(guān)系可以看出，采用數(shù)值計(jì)算模型得到的結(jié)果與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以很好的吻合。也證明采用本文的數(shù)值模型可以很好的預(yù)測(cè)濕氣分離過程。

圖14 給出了入口壓力為0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65 MPa 時(shí)，露點(diǎn)降隨壓損比的變化關(guān)系。

圖14 不同入口壓力下露點(diǎn)降隨壓損比的變化關(guān)系Fig.14 Dew point depression versus pressure loss ratio under different inlet pressure

從圖14中的曲線中可以看出不同入口工作壓力下，露點(diǎn)降隨壓損比增大而增大，通過對(duì)比各條曲線的變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，相同壓損比下，隨著入口壓力的提高可以獲得更大的露點(diǎn)降。此外在相同的入口增量下，入口壓力越大，相同壓損比下獲得的露點(diǎn)降也越大。當(dāng)入口壓力為0.65 MPa，壓損比為72.6%時(shí)，超音速分離管的露點(diǎn)降可以達(dá)到22℃。但是過高的壓損比必然會(huì)造成能量的損失，浪費(fèi)掉大量的可用能。保持出口壓力不變時(shí)，露點(diǎn)降和壓損比的變化如圖15所示(保持干、濕氣出口工作壓力為0.20、0.30、0.40 MPa)。

圖15 不同出口壓力條件下露點(diǎn)降隨壓損比的變化Fig.15 Dew point depression versus pressure loss ratio under different outlet pressure

從圖15中可以看出，固定干、濕氣出口壓力調(diào)節(jié)入口壓力，露點(diǎn)降隨著壓損比的增大而增大。而實(shí)際操作中出口壓力不可能降的太低。因此設(shè)置合適的出口壓力對(duì)分離管的脫水效果有很大影響。經(jīng)過數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以確定實(shí)驗(yàn)中出口壓力設(shè)置為0.30 MPa左右時(shí)，保持適當(dāng)壓損比可以獲得較大的露點(diǎn)降。

氣體的相對(duì)濕度也可以在一定程度上反映混合氣體中水蒸氣的含量，圖16給出了入口工作壓力為0.30、0.40、0.50、0.60 MPa 時(shí)，干氣出口相對(duì)濕度隨壓損比的變化關(guān)系。

圖16 不同入口壓力下相對(duì)濕度隨壓損比的變化Fig.16 Relative humidity versus pressure loss ratio under different inlet pressure

從圖16中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著壓損比的增大干氣出口相對(duì)濕度呈逐漸減小的趨勢(shì)。干氣出口的相對(duì)濕度在較大壓損比下可以降至30%左右，在較大入口壓力下繼續(xù)增大壓損比不會(huì)使相對(duì)濕度更低。綜合分析圖14ˉ16可以得出在入口壓力為0.60 MPa時(shí)，壓損比為52.8%可以得到較好的脫水分離效果。

4.2 不同結(jié)構(gòu)形式的分離管效果對(duì)比

為了進(jìn)一步比較新型離管與原有分離管效果的優(yōu)劣，重新定義一個(gè)參數(shù)θ:

其中:ΔTd為露點(diǎn)降，γ為壓損比。

從上式可以知道θ值越大，說明脫水分離效果越好。首先計(jì)算出進(jìn)口壓力不變時(shí)，不同壓損比下的θ值并取平均值。圖17給出了3種不同的噴管θ值的變化關(guān)系。

圖17 不同分離管的θ值變化關(guān)系曲線Fig.17 The θ value versus different inlet pressure for different supersonic separator

從圖17中3種分離管分離效率曲線變化可以看出新型分離管相對(duì)于再循環(huán)超音速分離管得到相同露點(diǎn)降需要較小的壓力損失，而相對(duì)于旋流前置型分離管雖然在較低壓力下優(yōu)勢(shì)不明顯，但是在入口壓力較高時(shí)具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，可以獲得較高的分離效率。而實(shí)際氣體的壓力都比較高，故而新型分離管相對(duì)于再循環(huán)超音速分離管和旋流前置型分離管有更好的分離效果。

5 結(jié)論

研究主要針對(duì)超音速天然氣脫水分離技術(shù)，結(jié)合超音速分離管的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)超音速分離管內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)，加工了新型超音速分離管。通過數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究得到了如下的結(jié)論:

(1)建立了超音速分離管三維數(shù)值計(jì)算模型，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示所采用的數(shù)值模型可以很好的預(yù)測(cè)超音速分離管內(nèi)部的旋流膨脹現(xiàn)象，及準(zhǔn)確預(yù)測(cè)激波發(fā)生的位置;

(2)通過數(shù)值模擬得到分離管內(nèi)部沿軸向溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、馬赫數(shù)場(chǎng)，以及不同截面上的切向速度分布情況。軸向的速度場(chǎng)顯示新結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生凝結(jié)所需的低溫以及高速條件，切向速度分布顯示結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生明顯的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，為分離提供動(dòng)力;

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:新型超音速分離管對(duì)工質(zhì)參數(shù)變化有較好的適應(yīng)性，當(dāng)進(jìn)出口壓損比達(dá)到72.6%時(shí)，可以得到22℃的露點(diǎn)降，綜合分析壓損比和露點(diǎn)降的關(guān)系，可知在一定的壓損比范圍內(nèi)壓損比越大露點(diǎn)降也越大即分離管的脫水效果越好。

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