天然氣物性數(shù)據(jù)庫的開發(fā)及其在閥門仿真中的應用

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(華東理工大學承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室,上海 200237)

天然氣物性數(shù)據(jù)庫的開發(fā)及其在閥門仿真中的應用

湯俊,于新海,李松,周邵萍

(華東理工大學承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室,上海200237)

利用目前在天然氣應用領(lǐng)域中較為全面和精確的GERG—2004方程建立天然氣數(shù)據(jù)庫,使用FORTRAN程序,VBA宏語言和MATLAB編寫了插值算法,在CFX仿真計算中調(diào)用了數(shù)據(jù)庫中物性數(shù)據(jù)。以天然氣迷宮式調(diào)節(jié)閥三維模型為研究對象,基于k-Epsilon流動模型,調(diào)用天然氣物性數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)了以天然氣為介質(zhì)的迷宮式調(diào)節(jié)閥仿真,為以天然氣為介質(zhì)的過流部件仿真提供了解決思路。

數(shù)據(jù)庫; 迷宮式調(diào)節(jié)閥; 物性模型

迷宮式調(diào)節(jié)閥廣泛應用于天然氣領(lǐng)域以及大型電站的鍋爐等非常惡劣的工況下,是流量控制和壓力控制的主要元件之一[1-2]。數(shù)值模擬是研究迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場設(shè)計、外特性分析和結(jié)構(gòu)評估優(yōu)化的主要工具。但天然氣組成的氣體種類繁多,且其物理性質(zhì)隨著組分、溫度、壓強的變化而變化[3],不僅給實驗物性參數(shù)研究帶來困難,也給利用天然氣物性進行仿真計算帶來巨大的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外流體商業(yè)軟件尚未建立全面、高精度、高穩(wěn)定性的天然氣數(shù)據(jù)庫,并且未提出針對多種類型天然氣的多相流數(shù)值仿真方法。

基于此,本文利用GERG—2004方程[4],結(jié)合VBA宏語言和MATLAB建立天然氣數(shù)據(jù)庫,并以天然氣迷宮式調(diào)節(jié)閥三維模型為研究對象,基于k-Epsilon流動模型,調(diào)用天然氣物性數(shù)據(jù)庫,探究物性對于閥門性能的影響。

1 數(shù)據(jù)庫建立方法

1.1基于GERG—2004方程的數(shù)據(jù)庫建立

首先,利用GERG—2004方程建立氣相區(qū)和兩相區(qū)天然氣數(shù)據(jù)庫。然后用FORTRAN程序編寫插值算法,數(shù)據(jù)庫的生成與插值程序流程如圖1所示。最后,在CFX仿真計算中調(diào)用數(shù)據(jù)庫中物性數(shù)據(jù),完成以天然氣為介質(zhì)的閥門內(nèi)流體仿真計算。為減少內(nèi)存消耗,提高程序運算的速度,同時為避免預設(shè)范圍之外的點的插值,增強程序的魯棒性和精確度,本數(shù)據(jù)庫采用了動態(tài)表形式。

1.2基于MATLAB程序獲得和采集數(shù)據(jù)

GERG—2004方程可計算包含甲烷、乙烷、二氧化碳、氮氣等18種天然氣組分混合的物性參數(shù),計算區(qū)域覆蓋了氣相區(qū)與液相區(qū)。

表1～表2為采用Excel程序和DOS程序?qū)σ欢ńM分、溫度、壓力和體積下物性的計算結(jié)果,分別采集單相區(qū)和兩相區(qū)數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)據(jù)庫生成與插值程序流程圖Fig.1 Program flow chart of database generation and interpolation

表1 GERG—2004方程Excel程序計算結(jié)果

表2 GERG—2004方程DOS程序計算結(jié)果

為高效獲取GERG—2004方程中的數(shù)據(jù),運用VBA宏語言和MATLAB等工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入、可視化處理和提取分析。在完成組分、壓力、溫度等數(shù)據(jù)輸入后,DOS程序?qū)⑸筛鹘M分、溫度和壓力工況下的物性數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。文本采用正則表達式,提取密度和氣液相體積分數(shù)等參數(shù),數(shù)據(jù)以單個字符串來描述和匹配文本中字符串。最后,使用MATLAB整理歸納提取的物性數(shù)據(jù),完成數(shù)據(jù)采集。

1.3基于線性插值法的數(shù)據(jù)處理

對采集的數(shù)據(jù)進行插值處理,所選用的二維插值方法為雙線性插值[5]。二維插值方法的實現(xiàn)過程如圖3所示。P1、P2、P3、P4是所需求解點P(x,y)四周的插值節(jié)點。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.2 Flow chart of data acquisition

圖3 雙線性插值Fig.3 Flow chart of data acquisition

雙線性插值的基本函數(shù)形式如下:

f(x,y)=(ax+b)(cy+d)

(1)

式(1)中含有4個待定系數(shù)。通過4個插值節(jié)點的數(shù)據(jù)值,可求解出這4個待定系數(shù)。

首先,在x方向上進行線性插值,得

(2)

(3)

然后,在y方向上進行線性插值,得

(4)

整理得

f(x,y)=f(P3)(1-x)(1-y)+

f(P1)(1-x)y+f(P4)x(1-y)

(5)

線性插值的結(jié)果并不會因為插值順序的不同而改變。本文三維插值算法也采用線性插值,與二維采用的雙線性插值方法相同,原理如圖4所示[6]。

圖4 三維線性插值Fig.4 Interpolation in 3-dimension

1.4CFX調(diào)用FORTRAN程序

將自定義的物理模型和物性特征寫入FORTRAN程序中,求解器求解時將調(diào)用這些插值處理后的數(shù)據(jù)。CFX通過CEL函數(shù)調(diào)用自定義FORTRAN程序,流程如圖5所示。

編譯平臺搭建成功后,在命令行程序執(zhí)行cfx5mkext語句,將編寫的F格式FORTRAN文件編譯成DLL動態(tài)共享庫。求解器進行求解時,將通過在預處理器中預先定義的CEL語句和CEL函數(shù)對象對共享庫進行調(diào)用和計算。

圖5 CFX調(diào)用FORTRAN程序流程Fig.5 Calling of user FORTRAN program by CFX

2 數(shù)據(jù)庫生成與實驗驗證

2.1組分、壓力、溫度范圍確定

在獲得初始數(shù)據(jù)后,需對天然氣數(shù)據(jù)庫組分、壓力、溫度的范圍進行確定和節(jié)點數(shù)據(jù)進行定義。本文數(shù)值模擬所選用天然氣組分數(shù)據(jù)來源于四川盆地新場氣田,其天然氣組成如表3所示。

表3 四川新場氣田某層系天然氣組分及其摩爾分數(shù)

本文選取迷宮式氣動調(diào)節(jié)閥為研究對象,結(jié)構(gòu)如圖6所示。實現(xiàn)天然氣數(shù)據(jù)庫的調(diào)用,可完成以不同壓差工況下天然氣為介質(zhì)的閥內(nèi)流場仿真,有利于進一步研究迷宮盤片內(nèi)部流動在不同工況下的變化規(guī)律,對天然氣閥門設(shè)計性能進行評估。其設(shè)計入口絕對壓力為34.9 MPa,設(shè)計出口絕對壓力為0.4 MPa,數(shù)據(jù)庫的壓力范圍需要包含最大、最小壓力,壓力邊界設(shè)定為0.01 MPa≤P≤36.01 MPa。天然氣的入口溫度為70 ℃。選取純CH4為介質(zhì)進行模擬,CH4的物性數(shù)據(jù)來自于CFX中的材料庫。通過試算調(diào)節(jié)閥內(nèi)溫度場,預估數(shù)據(jù)庫溫度范圍。針對調(diào)節(jié)閥的高壓差、高流速的工況,選用Total Energy熱傳遞模型和k-Epsilon湍流模型。由于高壓差的邊界條件不穩(wěn)健,對初始條件較為敏感,在模擬中先將預先估計的入口流量和出口靜壓作為邊界條件進行求解,待收斂后,再將該結(jié)果作為初值代入兩端壓差的邊界條件的算例中模擬。由于盤片閥結(jié)構(gòu)比較復雜,采用ICEM軟件對其流道模型進行整體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,對盤片、閥芯等關(guān)鍵位置的流體域進行網(wǎng)格加密如圖7所示,網(wǎng)格總計3.58×106。同時,在對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證的基礎(chǔ)上,分析閥門內(nèi)的流場情況。

1—閥桿;2—閥蓋;3—閥瓣;4—迷宮盤片閥芯;5—閥體;6—閥座

圖7 盤片處網(wǎng)格Fig.7 Mesh of the valve discs

圖8為調(diào)節(jié)閥中心對稱溫度場云圖。從圖中可以看出,由于閥門的節(jié)流效應,天然氣在流經(jīng)閥門的過程中溫度有所降低,由入口管段的345.7 K降至出口管段的200 K左右。數(shù)據(jù)庫溫度需包含最大值和最小值,因此將其溫度范圍確定為180 K≤T≤350 K。

圖8 中心對稱面溫度云圖Fig.8 Temperature contour of symmetric plane

2.2節(jié)點數(shù)確定

數(shù)據(jù)庫中包含的數(shù)據(jù)節(jié)點數(shù)越多,所得到插值的結(jié)果會越接近實際值。但數(shù)據(jù)節(jié)點過多將導致數(shù)據(jù)庫變得很大,模擬時也占用大量的RAM容量,使得程序運行變慢。

為得到較為合適的節(jié)點數(shù),首先生成不同體積分數(shù)的CH4和CO2的二元混合物的數(shù)據(jù)庫,對其進行插值,并將插值結(jié)果與已有的實驗數(shù)據(jù)進行對比。以CH4和CO2二元混合物的插值結(jié)果作為參考,擬定合適的節(jié)點數(shù)。初步將網(wǎng)格步長設(shè)為10 K和1 MPa。以體積分數(shù)為0.9的CH4和體積分數(shù)為0.1的CO2的二元混合物為例。插值結(jié)果與文獻的實驗結(jié)果[7-9]對比如表4所示。

表4 氣相區(qū)插值結(jié)果與實驗結(jié)果對比

氣相區(qū)內(nèi)實驗值與插值計算值的最大誤差為0.097 78%,可滿足模擬的精確度需求。因此,數(shù)據(jù)庫的溫度步長和壓力步長滿足條件。溫度方向網(wǎng)格節(jié)點為18個,壓力方向網(wǎng)格節(jié)點為37個,數(shù)據(jù)庫總節(jié)點數(shù)為666個。將這些網(wǎng)格節(jié)點的密度數(shù)據(jù)和線性插值算法編入FORTRAN程序,并在命令行程序中使用cfx5mkext語句將該FORTRAN程序編譯成DLL共享庫。

3 基于數(shù)據(jù)庫的閥門仿真

將所建立的氣相區(qū)數(shù)據(jù)庫應用于天然氣迷宮式調(diào)節(jié)閥的數(shù)值模擬進行計算。介質(zhì)的物性數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)庫,選取體積分數(shù)為0.25的CH4和體積分數(shù)為0.75的CO2為仿真介質(zhì)。入口總壓設(shè)置為34.9 MPa,出口靜壓設(shè)置為0.4 MPa。選用了總能模型獲取調(diào)節(jié)閥內(nèi)的溫度場等信息,介質(zhì)的入口溫度為343.15 K。模擬結(jié)果如圖9所示。

圖9示出了壓力、溫度和密度在閥門內(nèi)部隨介質(zhì)流動的變化,3個監(jiān)測值都在盤片流道中發(fā)生劇烈的變化。模擬計算得到入口平均密度為579.9 kg/m3,而由GERG—2004方程計算得到的密度為16.193 28 mol/L,換算得599.1 kg/m3,入口密度誤差約為3.205%。在不同的溫度和壓力工況下,對比多個監(jiān)測點的仿真結(jié)果與GERG—2004方程計算結(jié)果,如表5所示,發(fā)現(xiàn)密度誤差最大值為3.432%,插值計算誤差較小,仿真精確度滿足要求。同時,數(shù)據(jù)庫在計算高壓差的工況調(diào)用計算過程中,表現(xiàn)出良好的適應性、魯棒性和精確性。

圖9 對稱面的壓力、溫度及密度云圖Fig.9 Symmetric plane pressure contour,temperature contour and density contour

表5 計算結(jié)果對比

4 結(jié) 論

以天然氣迷宮式調(diào)節(jié)閥為研究對象,建立天然氣物性數(shù)據(jù)庫,使用CFX中的流動模型,實現(xiàn)了高壓差仿真計算并得出以下結(jié)論:

(1) 數(shù)據(jù)庫密度實驗值與插值計算值的最大誤差為0.098%,仿真結(jié)果與GERG—2004方程密度計算結(jié)果最大誤差為3.432%。因此,該方法得出的天然數(shù)據(jù)庫滿足計算的精確度和穩(wěn)定性要求。

(2) 創(chuàng)新性地調(diào)用GERG—2004方程和FORTRAN插值程序,實現(xiàn)了以天然氣為介質(zhì)的迷宮式調(diào)節(jié)閥仿真,為以天然氣為介質(zhì)的過流部件仿真提供了解決思路。

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DevelopmentandApplicationsinValveSimulationofNaturalGasPhysicalPropertyDatabase

TANGJun,YUXin-hai,LISong,ZHOUShao-ping

(KeyLaboratoryofPressurizedSystemandSafety,MinistryofEducation,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

Natural gas database is established by GERG—2004equation which is very comprehensive and accurate in the field of natural gas application at present.Interpolation algorithm is defined by user FORTRAN program,VBA macro language and MATLAB.Physical property data in database is called in the numerical simulation of CFX.This paper takes the natural gas labyrinth type valve as an example,calling physical property data in the numerical simulation based onk-Epsilon flow model,completing the simulation of labyrinth control valve using natural gas as medium,which provides a solution for the simulation of over-current components with natural gas as medium.

database; labyrinth control valve; physical property model

TH3

A

1006-3080(2017)05-0712-05

10.14135/j.cnki.1006-3080.2017.05.017

2016-11-22

湯 俊(1992-),男,江蘇淮安人,碩士生,主要從事泵閥的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

周邵萍,E-mail:shpzhou@ecust.edu.cn