基于Fluent的并聯(lián)操作壓縮機(jī)匯流管道模型設(shè)計(jì)

王家祥，魏煥景，馬　江（航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司 蘭州分公司，甘肅 蘭州 730010）

基于Fluent的并聯(lián)操作壓縮機(jī)匯流管道模型設(shè)計(jì)

王家祥，魏煥景，馬江
（航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司 蘭州分公司，甘肅 蘭州 730010）

針對(duì)某項(xiàng)目CO2壓縮單元并聯(lián)操作壓縮機(jī)出口匯流管道的設(shè)計(jì)問題，本文利用Fluent軟件模擬匯流管道模型，研究在T型三通前增加偏心異徑管、同心異徑管和支管氣流不同入射角度的兩種情況下，分析氣體混流前后的壓力、速度和主管中心能量等參數(shù)的變化。計(jì)算結(jié)果表明：T型三通前增加偏心異徑管匯流后的主管氣流對(duì)下管壁的沖刷非常大，同心異徑管匯流后的主管中心能量波動(dòng)??；支管Inlet2入射角為45°時(shí)速度梯度在管道中間處最大，主管中心能量波動(dòng)最小，管道內(nèi)流型最為穩(wěn)定，氣流對(duì)管道上下管壁的影響非常小，故45°為最佳入射角。

匯流；三通；壓縮機(jī)；并聯(lián)操作

某項(xiàng)目CO2壓縮單元的作用是將脫硫脫碳裝置送過來的CO2進(jìn)行加壓，以達(dá)到氣化輸煤系統(tǒng)所需要的壓力。CO2壓縮機(jī)為往復(fù)式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓縮機(jī)共4臺(tái)（三開一備），共經(jīng)過四段壓縮后的CO2氣體壓力為8.0MPa（G），經(jīng)外管網(wǎng)送至氣化單元輸送煤粉用。本文以此項(xiàng)目壓縮機(jī)出口的匯流管道布置為依據(jù)，建立管道匯流模型，通過GAMBIT建模以及FLUENT分析，比較了幾種管道布置方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為管道布置提供理論依據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容有以下兩個(gè)方面：

（1）對(duì)并聯(lián)操作壓縮機(jī)匯流管道進(jìn)行模擬分析。首先模擬在T型三通前增加偏心異徑、同心異徑管，分析對(duì)比兩種情況下的壓力、流速、主管中心能量的變化，從而為篩選最優(yōu)的異徑管提供依據(jù)；

（2）通過模擬支管氣流的不同入射角度，來判斷流型變化和混流的效果，進(jìn)而提出最優(yōu)的支管匯流方式。

1.1計(jì)算模型的確定與簡(jiǎn)化

多臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，每臺(tái)壓縮機(jī)排出支管與總管合流時(shí)，應(yīng)從總管頂部引入或按順流方向成45°斜接[1]，所以本文先對(duì)匯流管道的基本管件T形管和特殊三通進(jìn)行幾何模型的確定，特殊管件圖見圖1。

圖1　匯流模型中的特殊管件圖Fig.1　Special fittings in confluence model

幾何模型采用匯流管道的二維平面模型，管道考慮絕熱條件，支管管道管徑為80mm，主管管徑為200mm。由于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，第三個(gè)支管匯流發(fā)生在第二個(gè)支管15m的位置，其入口方式和介質(zhì)參數(shù)與第二個(gè)支管相同，為了簡(jiǎn)化模擬，我們只取支管Inlet2匯流后5m內(nèi)管段進(jìn)行研究，幾何模型見圖2。

圖2　匯流模型的幾何參數(shù)Fig.2　Geometric parameters of confluence model

實(shí)際上，匯流管道的流動(dòng)情況比較復(fù)雜，即使在邊界條件不變的情況下，流體在管內(nèi)的流動(dòng)過程中參數(shù)并不是恒定的，為了保證模擬結(jié)果的真實(shí)性，我們還需要引入K-ε湍流方程。標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流模型假定流場(chǎng)是完全發(fā)展的湍流，忽略了流體分子之間的粘性。其中湍流動(dòng)能方程（K方程）是精確方程，耗散方程（ε方程）是經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出來的方程[2,3]。

湍流動(dòng)能方程（K方程）：

耗散方程（ε方程）：

式中k：湍流動(dòng)能；ε：擴(kuò)散動(dòng)能；ρ：流體密度，kg·m-3；u：流體速度，m·s-1；μ：湍流粘度；σk、σε-K方程和ε方程的湍流Pr數(shù)，一般取1.0，1.3；Sk、Sε：自定義選項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε：常數(shù)，一般取1.44、1.92和0.09。

1.2GAMBIT網(wǎng)絡(luò)模型

（1）確定求解器選擇用于CFD計(jì)算的求解器為FLUENT5/6。

（2）創(chuàng)建匯流管模型及劃分網(wǎng)格按照?qǐng)D2的幾何參數(shù)繪制出匯流管的二維參數(shù)模型，考慮到計(jì)算的精確性，同時(shí)又能使計(jì)算時(shí)間比較短，通過多次的嘗試之后，決定對(duì)不段區(qū)域采用不同的網(wǎng)格尺寸。

（3）定義邊界類型在該模型中的邊界類型有四種：進(jìn)口 1、2（Inlet1、2）、出口（Outlet）、管壁（Wall）。

（4）輸出網(wǎng)格文件選擇File/Export/Mesh，輸入文件的路徑和名稱。

1.3求解模型［4］

（1）控制方程和離散格式利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。求解的條件采用非耦合求解法（Segregated）、隱式算法（Implicit）、二維空間（2D）、定常流動(dòng)（Steady）、絕對(duì)速度（Absolute），選用標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流模型，近壁節(jié)點(diǎn)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。采用SIMPLE算法處理壓力-速度耦合，動(dòng)量采用二階迎風(fēng)格式離散，其他物理量采用一階迎風(fēng)格式離散。

（2）定義邊界條件設(shè)置流體材料屬性（該計(jì)算中為氣體CO2，工作壓力8.0MPa，工作溫度405K，密度120.84kg·m-3，粘度0.02cp）。此外，還可以建立控制方程組的邊界條件：

①匯流管道兩個(gè)支管入口的壓力和溫度；

②管道的熱邊界條件（一般處理為絕熱）；

③匯流管出口的壓力及溫度；

（3）設(shè)置監(jiān)視器及迭代計(jì)算。

2　結(jié)果與討論

2.1理想條件下的T形三通前不同異徑管匯流的模擬結(jié)果

2.1.1計(jì)算模型的選取

模擬參數(shù)：兩支管Inlet1、Inlet2入口壓力相等均為8.0MPa，流體溫度相等均為405K，出口壓力為7.992MPa。迭代計(jì)算收斂后其結(jié)果如下。

2.1.2計(jì)算結(jié)果分析

圖3　壓力分布圖Fig.3　Pressure profile

圖4　速度分布Fig.4　Velocity profile

從圖3～4中可以看出，T型三通前增加同心異徑和偏心異徑管匯流模型壓力大的區(qū)域主要集中在兩股氣流交匯的前方區(qū)域，可能的原因是支管Inlet2以垂直于支管Inlet1的角度進(jìn)入總管，造成交匯前端一定程度的氣阻，從而壓力增大；兩支管氣流交匯后，匯合后的主管氣流對(duì)下管壁的沖刷非常大，其速度梯度最大的區(qū)域集中在下管壁處，但是偏心異徑管匯流的主管氣流在下管壁處的速度梯度明顯較大，且支管氣流相交的前方夾角區(qū)域內(nèi)形成了明顯的渦流。隨著距離的增長(zhǎng)，同心異徑管匯流較偏心異徑管匯流先趨于穩(wěn)定，壓力梯度越來越小。

定義主管中心處的能量為H[5]：

由圖5可知，T型三通前增加同心異徑和偏心異徑管匯流模型的H-L變化趨勢(shì)基本一致。在第一階段L＜0.5m時(shí)，高壓CO2氣體從Inlet1口進(jìn)入，氣流比較緩和；在第二階段0.5m＜L＜0.8m時(shí)，氣體進(jìn)入異徑擴(kuò)大管，速度明顯減??；在第三階段0.8m＜L＜2.0m時(shí)，兩股氣流進(jìn)行交匯，在1.0m處速度快速達(dá)到最大，隨后較快速衰減；在第四階段2.0m＜L＜5.0m時(shí)，氣流速度逐漸趨于穩(wěn)定，流型穩(wěn)定。由于偏心異徑管匯流后的主管氣流靠近下管壁的速度梯度較大，所以其主管中心處的能量較同心異徑管低，這與圖4的速度分布也是一致的。其次，同心異徑管匯流的主管中心能量在4個(gè)階段中波動(dòng)較小，因此管道所受到的沖擊力小，管道內(nèi)流型最為穩(wěn)定。所以，氣體匯流時(shí)在T形三通前我們應(yīng)優(yōu)先選擇選用同心異徑管。

圖5　H-L變化曲線Fig.5　The H-L curve

2.2Inlet2支管斜接角度的選取

壓力管道布置中，往往要求管道有一定的柔性，必要時(shí)需在支撐點(diǎn)選用不同類型的支架來保持其受力平衡，從而盡量使管道受到的沖擊力小，管道內(nèi)流型穩(wěn)定[6,7]。針對(duì)壓縮機(jī)支管與總管合流時(shí)，支管應(yīng)從總管頂部引入或順流方向斜接這一原則，根據(jù)2.1的結(jié)論，本研究在三通前選取同心異徑管進(jìn)行匯流，探討不同入射角度對(duì)匯流模型的影響，為優(yōu)化管道布置提供流體力學(xué)上的參考。

2.2.1計(jì)算模型的選取

模擬參數(shù)：兩支管Inlet1、Inlet2入口壓力相等均為8.0MPa，流體溫度相等均為405K，出口壓力為7.992MPa，支管Inlet2的入射角度分別選取30°、45°、60°、90°。迭代計(jì)算收斂后其結(jié)果如下。

2.2.2計(jì)算結(jié)果分析

（a）入射角度為30°的壓力分布

（b）入射角度為45°的壓力分布

（c）入射角度為60°的壓力分布

（d）入射角度為90°的壓力分布圖6　壓力分布Fig.6　Pressure profile

（a）入射角度為30°的速度分布

（b）入射角度為45°的速度分布

（c）入射角度為60°的速度分布

（d）入射角度為90°的速度分布圖7　速度分布Fig.7　Velocity profile

從圖6中可以看出，隨著支管Inlet2入射角度的增大，匯流后的主管壓力重心逐漸從右往左偏移，30°時(shí)主管壓力主要集中在上管壁處，90°時(shí)壓力在下管壁處達(dá)到最大，60°時(shí)在兩股氣流交匯處前端的壓力較大，而在45°時(shí)，主管壓力集中在管中心，對(duì)上下管壁處的影響較小。這一結(jié)論與圖7相對(duì)應(yīng)，即兩股氣流匯流后，隨著支管Inlet2入射角度的增大，主管速度梯度逐漸從上往下偏移，30°時(shí)速度梯度在上管壁處達(dá)到最大，90°時(shí)速度梯度在下管壁處最大，60°時(shí)速度梯度主要集中在下管壁處，而在45°時(shí)速度梯度在管道中間處最大。

（a）入射角度為30°的K值

（b）入射角度為45°的K值

（c）入射角度為60°的K值

（d）入射角度為90°的K值圖8　不同入射角對(duì)應(yīng)的K值Fig.8K value of different angle

湍流參數(shù)K值的分布云圖見圖8。如圖所示，兩股氣流交匯的前后端都存在漩渦。隨著支管Inlet2入射角度的增大，支管Inlet2前端的漩渦逐漸減小，但是支管Inlet2后端的漩渦會(huì)隨著入射角的增大而增大。而入射角為45°時(shí)，兩股氣流交匯所產(chǎn)生的漩渦最小，且湍流參數(shù)K值也是最先穩(wěn)定下來；30°次之；60°衰減之后還有起伏；而90°時(shí)，湍流參數(shù)最不穩(wěn)定，其衰減距離最遠(yuǎn)。

圖9　不同入射角的H-L變化曲線Fig.9　H-L curve of different angle

從圖9中可知，支管Inlet2不同入射角匯流模型的H-L變化趨勢(shì)基本一致，但是每個(gè)階段的不同入射角變化幅度較大。在第一階段L＜0.5m時(shí)，高壓CO2氣體從支管Inlet1進(jìn)入，30°入射角對(duì)應(yīng)的主管中心能量明顯大于其它入射角的主管中心能量，45°與60°相差無幾，90°最小，可能的原因隨著入射角度的增加，支管Inlet2對(duì)支管Inlet1的影響越大，導(dǎo)致支管Inlet2氣流不能很順暢的進(jìn)入主管，造成一定程度的氣阻，從而速度明顯減小，相應(yīng)的主管中心能量減??；在第二階段0.5m＜L＜0.8m時(shí)，氣體進(jìn)入異徑擴(kuò)大管，氣體流速減小，所有主管中心能量出現(xiàn)明顯減?。辉诘谌A段0.8m＜L＜2.0m時(shí)，兩股氣流進(jìn)行交匯，在1.0m處所有主管中心能量達(dá)到最大，隨后較快速衰減。其中，在兩股氣流交匯處，90°入射角對(duì)應(yīng)的主管中心能量最大，60°次之，45°再次之，30°最小。說明90°入射角交匯處由于兩股氣流的相互撞擊產(chǎn)生巨大的能量，而30°入射角由于基本與主管平行，所以氣流之間很容易混合在一起，速度變化更為平順，所以其在這個(gè)階段波動(dòng)最??；在第四階段2.0m＜L＜5.0m時(shí)，氣流速度逐漸趨于穩(wěn)定，流型穩(wěn)定。我們發(fā)現(xiàn)主管能量排序：30°＞60°＞45°＞90°，對(duì)于工業(yè)管道而言，管道元件都要安裝在流型穩(wěn)定處，因此，第四階段最適合管道元件的安裝。但是，我們發(fā)現(xiàn)入射角為45°時(shí)，主管中心能量在4個(gè)階段中波動(dòng)最小，因此，管道所受到的沖擊力小，管道內(nèi)流型最為穩(wěn)定，從這個(gè)角度而言，45°也為最佳入射角，這與圖6～8得出的結(jié)論也是一致的。即當(dāng)入射角為45°時(shí)，混流長(zhǎng)度越短，流型穩(wěn)定的越快，對(duì)上下管壁的沖刷越小，因此，45°才是最佳入射角。

3　結(jié)論

在對(duì)并聯(lián)操作壓縮機(jī)匯流管道進(jìn)行流體特性分析的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)思路出發(fā)，篩選出在T型三通前合理的異徑管和支管斜接的最佳入射角度，為今后壓縮機(jī)并聯(lián)匯流管道的設(shè)計(jì)提供流體力學(xué)數(shù)據(jù)上的一種參考。主要結(jié)論如下：

（1）T形三通前宜選擇同心異徑管進(jìn)行匯流。偏心異徑管的主管支流對(duì)下管壁的沖刷非常大，同心異徑管匯流的主管中心能量波動(dòng)小，流型穩(wěn)定；

（2）支管宜從總管頂部斜接，45°為最佳入射角。入射角為45°時(shí)速度梯度在管道中間處最大，主管中心能量波動(dòng)最小，管道內(nèi)流型最為穩(wěn)定，對(duì)管道上下管壁的影響非常小，故45°也為最佳入射角。

（3）根據(jù)本研究得出的結(jié)論優(yōu)化管道布置，通過選取異徑管和支管角度的組合，可以最大限度的減小流體匯流對(duì)管道的沖刷破壞作用，使管道流型穩(wěn)定，便于后續(xù)管件的安裝。

［1］章日讓.石化工藝及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)問答（第2版）［M］.北京:中國(guó)石化出版社,2007.

［2］任志安，郝點(diǎn)，謝紅杰.幾種湍流模型及其在FLUENT中的應(yīng)用［J］.化工裝備技術(shù),2009,30（2）:38-44.

［3］楊康，劉吉普，馬雯波.基于FLUENT軟件的T型三通管湍流數(shù)值模擬［J］.化工裝備技術(shù),2008，29（4）:33-36.

［4］韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.

［5］鄒杰.基于FLUENT的三通內(nèi)流體流場(chǎng)模擬分析研究［D］.上海:華東理工大學(xué)，碩士論文,2014.

［6］范開智.配管設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單應(yīng)力管線的柔性分析［J］.大氮肥,2015, 38（3）:200-216.

［7］李雪晶.淺析壓力管道應(yīng)力分析［J］.純堿工業(yè),2016,1:34-36.

Confluence modeling design on parallel process of compressor based on CFD Code FLUENT

WANG Jia-xiang，WEI Huan-jing，MA Jiang
（Changzheng Engineering Co.，LTD Lanzhou Branch，Lanzhou 730010，China）

According to the design of the outlet pipe of the compressor in parallel operation for a certain project，the Fluent software was used to simulate the pipeline model in this paper.In the study of arrangement of eccentric different diameter pipe，concentric different diameter pipe before tee and the different branch airflow with different angle in two cases，the pressure，velocity and the energy of the center of the gas flow were analysed.The results show that the erosion of the lower pipe wall by the head of the eccentric different diameter pipe was very large，while the energy fluctuation was small in the center of the concentric different diameter.When the incident angle was 45 degrees，the velocity gradient was the largest in the middle of the pipe，meanwhile the energy fluctuation was the least，and the flow pattern was the most stable in the pipeline，the influence on the pipe wall was very small，so the 45 degree was the best incident angle.

confluence；tee；compressor；parallel process

TQ018

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160821

2016-06-20

王家祥（1988-），男，漢族，助理工程師，2014年畢業(yè)于西安石油大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，碩士研究生，從事工藝設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。

1建立模型和參數(shù)設(shè)定