天然氣化工管道設(shè)備的CFD模擬

毛玉海

摘 要：在城鎮(zhèn)氣化站和加氣站傳輸時會遇到多處水平和垂直轉(zhuǎn)彎的情況，在彎管處液化天然氣的速度、壓強產(chǎn)生巨大變化，對彎管壁的壓強顯著增強，可能會產(chǎn)生氣泡，對管道產(chǎn)生一定隱患。針對有壓LNG管道，利用ANSYSWorkbench軟件的Fluent模塊數(shù)值模擬與分析，得到管道內(nèi)部壓強場和速度場分布，通過對比不同流速下在管道轉(zhuǎn)彎處的流場，得到了不同流速對內(nèi)部壓強的影響變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：液化天然氣管道 流場 數(shù)值模擬 Fluent

中圖分類號：TU712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（b）-00-02

液化天然氣（LNG）主要由大量的甲烷、少量的乙烷、丙烷、氮等組分構(gòu)成，密度約為0.42～0.46g/cm3，文獻1使用ANSYSWorkbench軟件的有限元分析方法對船用LNG管道進行數(shù)值模擬分析，將罐體管道的連接接口處作為研究的管道為宜載荷，對管道進行應(yīng)力校核，探索船用液化天然氣儲存罐和天然氣管道的應(yīng)力分析方法，為船用LNG儲存罐和管道設(shè)計提供借鑒方法[1]；使用Fluent軟件模擬液化天然氣管道氮氣預(yù)冷卸料管溫度分布的規(guī)律，使用階段性降低氮氣入口溫度預(yù)冷的方法，探究卸料管道溫差產(chǎn)生的原因[2]；本文采用ANSYSWorkbench的Fluent模塊對液化天然氣不同流速下在管道轉(zhuǎn)彎處的流場進行數(shù)值模擬與分析，為今后壓強管道的設(shè)計和使用提供了一定的借鑒作用。

1 二維建模與網(wǎng)格劃分

由于液化天然氣管道成軸對稱的特點，我們使用ANSYSWorkbench的Geometry模塊建立“U”形液化天然氣管道二維幾何模型，公稱直徑設(shè)置為90mm，采用1.5D的彎頭，彎頭的彎曲半徑為137mm，管道的下行高度取500mm，建立完模型后從草圖生成面物體，使用ANSYSWorkbench自帶的mesh模塊對建立“U”形液化天然氣管道二維幾何模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量的多少對模擬效果的影響很大，高階單元可更好地實現(xiàn)所建模型結(jié)構(gòu)的復雜曲線邊界，不同階次單元之間或采用特殊的過渡單元連接，或采用多點約束等式連接由于彎管處變化較大，使用Mesh模塊的Sizing功能，使管道轉(zhuǎn)彎處網(wǎng)格劃分密集，彎管處應(yīng)力變化較大，為了更好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，采用比較密集的網(wǎng)格，將進氣端設(shè)置為inlet，出口端設(shè)置為outlet。

2 利用Fluent求解器求解

將生成的Mesh文件導入Fluent模塊，使用Check功能檢查網(wǎng)格信息，當最小網(wǎng)格體積大于0時才可以用于計算，將管道的液化天然氣視為低速不可壓縮流體，選擇雙精度壓強基隱式求解器，管道流體的雷諾數(shù)大于4000，流動為湍流，湍流運動時流體質(zhì)點具有不斷隨機的相互摻混現(xiàn)象，速度和壓強等物理量具有隨機性質(zhì)的脈動，設(shè)置湍流模型為k-epsilon雙方程模型，使用k-ω雙方程模型進行湍流計算。k-ω雙方程模型分為標準的k-ω和SST k-ω模型。Wilcox k-ω模型在預(yù)測自由剪切流傳播速率時，取得了很好的效果，成功應(yīng)用于尾跡流，混合層流動，平板繞流，圓柱繞流和放射狀噴射。因此，sst k-ω模型在很多時候比標準的k-ω模型更加有效。液化天然氣在管道中流動受壁面限制，壁面附近的流場變量梯度較大，使用Fluent自帶的標準壁面函數(shù)法處理液化天然氣管道的壁面，流體流動時遵循能量守恒定律、動量守恒定律、質(zhì)量守恒定律，在設(shè)置操作環(huán)境時，操作壓強選取默認值，Y方向的重力加速度設(shè)置為-9.81g/cm3，定義流體的物理性質(zhì)時設(shè)置液化天然氣的密度為0.45g/cm3，粘度為0.204Pa·s，在設(shè)置邊界條件時，將液化天氣管道模型的進口設(shè)置為velocity-inlet，入口速度分別設(shè)置為0.5m/s、1.5m/s、outlet設(shè)置pressure-outlet，出口的壓強設(shè)置為0.35Mpa，設(shè)置液化天然氣管道的壁面的邊界條件為默認條件，設(shè)置求解參數(shù)時，pressure-velocity Coupling對應(yīng)的是壓強-速度耦合求解方式，為了提高計算精度，把差分格式調(diào)整為二階精度，依次點擊Solve-Intialize對流場進行初始化[3]，初始條件對求解的影響特別大，所以給出的初始值盡量接近真實值，氣化站運行壓強在0.4～0.6Mpa，將入口壓強設(shè)置為0.4Mpa，將殘差設(shè)置為0.000001，開始進行迭代運算。

3 結(jié)果分析

本模型存在2個90°彎頭，圖1、圖2是當進口流速分別是0.5m/s、1.5m/s LNG管道速度流場分布圖，從圖1-2可以看出彎管處出現(xiàn)二次流現(xiàn)象，渦心靠近外側(cè)壁面，遠離內(nèi)側(cè)壁面，管道內(nèi)側(cè)壁面對流場的約束作用較少，流速變化較小，彎頭外側(cè)壁面附近區(qū)域流速均迅速減少，這主要是彎道邊壁約束作用導致的。

圖3、圖4是當進口流速分別是0.5m/s、1.5m/sLNG管道壓強流場分圖，從圖3、圖4可以看出，彎管的最大壓力出現(xiàn)在彎管外側(cè)的附近區(qū)域，導致了在實際應(yīng)用中LNG管道最容易磨損的部位在彎管外側(cè)，流體壓強隨著管道的運輸存在壓強損失而變小，彎頭內(nèi)側(cè)壁面附近區(qū)域壓強小，彎頭外側(cè)壁面附近區(qū)域壓強大，這主要是由于在彎頭處離心力作用流體被甩到外側(cè)壁面導致大量流體積聚在外側(cè)壁面導致。

4 結(jié)語

利用Fluent軟件對有壓LNG管道進行了壓強場和速度場規(guī)律的探索，彎管處出現(xiàn)二次流現(xiàn)象，渦心靠近外側(cè)壁面，遠離內(nèi)側(cè)壁面，管道內(nèi)側(cè)壁面對流場的約束作用較少，流速變化較小，彎頭外側(cè)壁面附近區(qū)域流速均迅速減少，彎管的最大壓力出現(xiàn)在彎管外側(cè)的附近區(qū)域，導致了在實際應(yīng)用中LNG管道最容易磨損的部位在彎管外側(cè)，隨著進口流速的增加，彎頭處最小壓強逐漸減小。

參考文獻

[1] 甘紹警，周瑞平，甘少煒，等.船用LNG儲罐與管道應(yīng)力計算[J].艦船科學技術(shù)，2018（1）：35-40.

[2] 曹學文，吉俊毅，楊文.LNG卸料管道氮氣預(yù)冷溫度分布規(guī)律[J].油氣儲運，2016，35（5）：492-497.

[3] 張宇，欒江峰，張斯亮.基于FLUENT的壓強管道內(nèi)部流場分析[J].當代化工，2014（6）：1106-1108.