市政燃氣管道碰頭點流場分析及結構改進

趙力偉

（溫州市特種設備檢測研究院 溫州 325000）

市政燃氣管道碰頭點流場分析及結構改進

趙力偉

（溫州市特種設備檢測研究院 溫州 325000）

針對現(xiàn)場某一工程碰頭點結構，采用計算流體力學CFD方法，對其進行流場分析，發(fā)現(xiàn)該結構出口流動死區(qū)較大，出口速度明顯減小。對碰頭點結構進行改進，改進后流動死區(qū)明顯縮小，出口速度明顯增大，壓降明顯下降。研究結果對今后類似燃氣管道碰頭點的安裝及燃氣標準的修訂具有一定的參考價值。

燃氣管道 碰頭點 結構改進

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，城市建設規(guī)模不斷擴大，新興工業(yè)區(qū)、居民住宅拔地而起，原先規(guī)劃設計的燃氣管道輸送能力已遠遠不能滿足城市發(fā)展中工業(yè)、民用的需求，城市燃氣管道敷設也隨之更改、延伸，這就難免會有新舊管道的碰頭施工[1-3]。筆者在現(xiàn)場壓力管道安裝監(jiān)檢中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場管道碰頭點，往往沒有經(jīng)過設計，現(xiàn)場管道的走向往往由項目負責人或PE焊工根據(jù)安裝經(jīng)驗決定，安裝單位安裝完成后，再聯(lián)系設計出具變更單，這導致碰頭點結構存在較大的隨意性和不確定性，碰頭點流場分布差，流動阻力大。故筆者以實際工作中碰到的某一工程為例，采用計算流體力學CFD方法，對現(xiàn)場實際碰頭點進行流場分析。在此基礎上，提出改進流場的方案，以期為今后類似燃氣管道碰頭點的安裝及燃氣標準的修訂提供技術參考。

1 某一工程碰頭點流場分析

1.1 工程簡介

市政主管為De160PE市政燃氣管道，原未進行預留。由于用戶用氣量較大，現(xiàn)安裝管道PE管規(guī)格為De200。安裝前又未事先探明原管道位置，導致碰頭處兩管道間距不足5cm，安裝難度極大?，F(xiàn)場管道碰頭情況如圖1所示，介質流動方向如箭頭所示。

1.2 數(shù)值計算模型及方法

利用ANSYS軟件Fluent模塊，對碰頭點流場分析。根據(jù)現(xiàn)場實際尺寸，建立數(shù)值計算模型，上下游長度取外徑的兩倍，如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場管子碰頭情況

圖2 數(shù)值計算模型

對計算模型進行分塊網(wǎng)格劃分，并對管壁處網(wǎng)格進行局部加密，經(jīng)網(wǎng)格無關性計算，直至滿足計算要求，具體網(wǎng)格情況如圖3、圖4所示。

圖3 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分圖

數(shù)值計算邊界條件如下：

1）入口邊界條件：采用速度入口條件，根據(jù)實際管網(wǎng)運行經(jīng)驗，中壓主管道流速在10～15m/s左右，這里取10m/s；

圖4 局部網(wǎng)格放大圖

2）出口邊界條件1：采用自由出口條件；

3）出口邊界條件2：采用自由出口條件；

4）外部邊界：壁面邊界條件，無滑移速度u=0。

以天然氣為介質進行數(shù)值計算，計算中采用RNG k-ε湍流模型，且近壁面采用增強壁面函數(shù)法，以提高計算精度。并采用非耦合隱式求解方法，速度與壓力耦合采用SIMPLE方法，用二階精度的迎風格式離散[3]。

1.3 碰頭點流場分析

圖5、圖6分別為碰頭點軸截面處的速度矢量圖和速度云圖。由圖可以看出，在兩出口90°彎頭處均存在較大的流動死區(qū)，尤其是支管（出口2），其內(nèi)介質得不到充分流動，流動死區(qū)較大，出口速度明顯減小，這將可能造成下游用戶供氣壓力不足。

圖5 碰頭點軸截面速度矢量圖

圖6 碰頭點軸截面速度云圖

2 碰頭點結構改進及分析

為改善管道內(nèi)的流場，以降低流動壓降，筆者對碰頭點結構進行改進，改進措施：將主管上的90°電熔彎頭改為45°電熔彎頭（如圖7所示）。為使計算結果具有可比性，改進后模型采用與前面模型相同的方法進行網(wǎng)格劃分與求解設置，這里不再贅述。

圖7 改進結構

圖8、圖9分別為改進結構軸截面處的速度矢量圖和速度云圖。為便于比較，圖5、圖8顯示的速度矢量放大倍數(shù)是相同的。對比圖5、圖6及圖8、圖9，可以發(fā)現(xiàn)結構改進后兩出口彎頭處仍存在一定的流動死區(qū)，但比改進前流動死區(qū)明顯縮小了，出口速度也明顯增大了。

圖8 改進結構軸截面速度矢量圖

圖9 改進結構軸截面速度云圖

進一步計算得到改進前后進出口壓降（見表1）。由表1可以看出，改進后主管（出口1）、支管（出口2）的壓降都明顯下降了，這表明流動阻力明顯減小了。

表1 進出口壓降 Pa

3 結論及展望

1）采用計算流體力學CFD方法，對現(xiàn)場實際碰頭點進行流場分析。發(fā)現(xiàn)出口流動死區(qū)較大，出口速度明顯減小，可能造成下游用戶供氣壓力不足；

2）提出改進方案：將主管上的90°電熔彎頭改為45°電熔彎頭，模擬結果表明改進后碰頭點流場得到明顯改善，即出口速度明顯增大，壓降明顯下降；

3）在今后類似燃氣管道碰頭點的安裝中，應多采用45°彎代替90°彎，以改善流場。

4）在現(xiàn)場安裝過程中此類問題普遍存在，而現(xiàn)行燃氣標準（如CJJ33—2005、CJJ63—2008）均未對碰頭點結構進行規(guī)定，后續(xù)標準修訂工作中應予以考慮。

[1] 鐘勤．城市燃氣鋼制管道帶氣碰頭施工[J]．江西煤炭科技，2013，1(1)：116-117.

[2] 施兵兵．淺談“在用管道冷切割碰頭”新工藝[J]．化工管理，2013，4：78.

[3] 許衛(wèi)榮，王宏．聚乙烯燃氣管道安裝監(jiān)督檢驗關鍵點[J]．中國特種設備安全，2011，27(6)：7-8.

[4] 王福軍．計算流體力學分析-CFD軟件原理與應用[M]．北京：清華大學出版社，2004.

Structural Improvement and Flow Field Analysis of Connection Point in City Gas Pipeline

Zhao Liwei
(Wenzhou Special Equipment Inspection Research Institute Wenzhou 325000)

Using computational fluid dynamics (CFD) methods, the flow field of gas connection point of an engineering example case was analyzed. The result showed that there was a big dead zone, and the exit velocity decreased significantly. Then, improved and analyzed the connection point structure, the results showed that the dead zone volume was significantly reduced, the exit velocity was significantly increased and the total pressure drop was significantly decreased. The result of research has certain value for reference to installation of connection point in city gas pipeline.

Gas pipeline Connection point Structural improvement

X933.4

B

1673-257X(2017)05-0006-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.05.002

趙力偉(1986～)，男，碩士，工程師，從事承壓類特種設備檢驗檢測及科研工作。

趙力偉，E-mail: tjlwzhao@163.com。

2016-12-10）