LNG氣化器管內(nèi)氣泡行為及兩相流型轉(zhuǎn)換

徐少杰, 高文學(xué), 嚴(yán)榮松, 王 艷, 楊 林, 張 歡

(1.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072;2.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司城市燃?xì)鉄崃ρ芯吭海旖?00384)

1 概述

在中小型LNG供氣廠站中，空溫式氣化器是比較常見的一種氣化設(shè)備，其利用空氣作為熱源，對(duì)翅片管內(nèi)的LNG進(jìn)行加熱。目前關(guān)于LNG空溫式氣化器的研究，大多數(shù)集中于單根星型翅片管的傳熱問題，內(nèi)容從管內(nèi)的流動(dòng)沸騰到管外的自然對(duì)流與濕空氣結(jié)霜[1-2]。雖然不同流型的轉(zhuǎn)換機(jī)理對(duì)于流動(dòng)沸騰傳熱特性的研究具有重要意義，但是目前對(duì)于翅片管內(nèi)天然氣氣泡行為以及氣液兩相流型轉(zhuǎn)換的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。豎直管內(nèi)的流動(dòng)沸騰沿管程方向依次表現(xiàn)為泡狀流動(dòng)、彈狀流動(dòng)、環(huán)狀流動(dòng)以及彌散狀流動(dòng)[3]。李祥東等[4]通過分析研究兩相流型常用理論，認(rèn)為常用理論很難準(zhǔn)確地判斷低溫流體的流型變化。劉珊珊等[5]使用經(jīng)典Lee模型[6]研究了兩相流型變化與局部傳熱系數(shù)之間的聯(lián)系，表明局部換熱系數(shù)隨氣相分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。文玨[7]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與Lee模型相比，S.Hardt模型[8]對(duì)氣液的蒸發(fā)沸騰過程描述更為準(zhǔn)確。

雖然近年來采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)空溫式氣化器內(nèi)外場(chǎng)耦合傳熱特性的研究已有諸多報(bào)道[9]，但是更多是從宏觀層面探索空溫式氣化器的傳熱規(guī)律，然而，氣泡在沸騰表面的形成、生長以及脫離對(duì)于流動(dòng)沸騰傳熱有非常顯著的影響。為了研究管內(nèi)LNG沸騰過程氣泡的行為和兩相流型的轉(zhuǎn)化，本文借助于Fluent 19.0軟件，采用流體體積法(Volume of Fluid，簡稱VOF)模型并耦合S.Hardt模型，計(jì)算空溫式氣化器翅片管內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)沸騰過程，分析不同LNG入口流速、LNG入口溫度以及管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等條件對(duì)管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱的影響。

2 問題描述及假定說明

2.1 問題描述

空溫式氣化器由呈陣列形式布置的鋁合金翅片管簇組成，LNG由翅片管底部進(jìn)入，自下而上流動(dòng)，在此過程中不斷從管壁吸收來自環(huán)境空氣的熱量。當(dāng)LNG從入口溫度上升到飽和溫度后，管內(nèi)流體進(jìn)入蒸發(fā)沸騰階段，形成氣液兩相流動(dòng)。隨著管內(nèi)流體溫度升高，天然氣的體積分?jǐn)?shù)不斷增大，管內(nèi)氣液兩相流型將出現(xiàn)顯著變化。本文的研究對(duì)象為翅片管內(nèi)流動(dòng)沸騰過程中氣泡行為和兩相流型，分析不同LNG入口流速、LNG入口溫度以及管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等條件下，兩相流型的轉(zhuǎn)換特性。

2.2 假定說明

① 管道導(dǎo)熱為各向同性。

② 管道出口天然氣體積分?jǐn)?shù)不隨時(shí)間改變時(shí)，認(rèn)為管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱過程發(fā)展到穩(wěn)態(tài)。

③ 管外空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿管長方向?yàn)槎ㄖ怠?/p>

④ 管外空氣溫度為定值。

3 幾何模型描述

本文研究的重點(diǎn)為翅片管內(nèi)流動(dòng)沸騰過程中氣泡行為和兩相流型的變化，管外翅片對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)沸騰過程的影響僅僅在于傳熱問題。因此，翅片所帶來的傳熱影響將通過等效的方式作用于管道外壁面，即將翅片管外的傳熱系數(shù)折算為豎直光管面積所對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)，從而將翅片管外壁處理為無翅片的圓光管，圓光管的直徑與翅片管外直徑相同。為了實(shí)現(xiàn)沸騰與固體基質(zhì)的傳熱耦合，保留了管壁的厚度。

由于豎直光管具有對(duì)稱性，因此本文建立的幾何模型為二維模型，見圖1。LNG從管道的底部進(jìn)入，受熱氣化后從頂部流出。幾何坐標(biāo)軸的原點(diǎn)O在管道底部入口的中心處，x軸沿管道的徑向方向，y軸與管道中心軸線重合，方向與LNG的流動(dòng)方向一致。管道的內(nèi)直徑為0.02 m，外直徑為0.026 m，管道的長度為5 m。

圖1 幾何模型

4 網(wǎng)格劃分

本文將計(jì)算域分為LNG流體域和鋁合金管道固體域，計(jì)算域網(wǎng)格劃分見圖2。首先在ICEM 19.0軟件中建立幾何模型，并創(chuàng)建塊文件，通過兩次切分，在幾何模型與塊之間形成映射，最終生成結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格。對(duì)鋁合金管內(nèi)外壁面附近法線方向上的LNG流體區(qū)域進(jìn)行邊界層加密。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)后確定，在管內(nèi)側(cè)采用BiGeometric分布規(guī)律，節(jié)點(diǎn)數(shù)為131，第1層的高度為1.0×10-4m，增比Ratio=1.02；鋁合金管壁內(nèi)的網(wǎng)格采用Uniform節(jié)點(diǎn)平均分布，節(jié)點(diǎn)數(shù)為5，每1層的高度為7.5×10-4m。沿鋁合金管高度方向，網(wǎng)格高度相同，每層高度為2.5×10-3m。最終所得的網(wǎng)格總數(shù)為1 379 655。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

5 各項(xiàng)設(shè)置

采用ANSYS Fluent 19.0軟件進(jìn)行計(jì)算，求解器設(shè)定為：Double precision、Parallel processing(12 processes)、Pressure-based、Absolute、Unsteady、2D。

模型設(shè)置：求解質(zhì)量、動(dòng)量以及能量控制方程，多相流模型選擇VOF模型。湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、近壁處為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。沸騰相變模型選擇S. Hardt源項(xiàng)模型，通過用戶自定義(UDF)的方式將S. Hardt源項(xiàng)模型加入控制方程中。選用分段線性構(gòu)造界面(Piecewise Linear Interface Construction)的幾何重構(gòu)法捕捉氣液兩相界面。

材料設(shè)置：LNG和天然氣的物性數(shù)據(jù)采用文獻(xiàn)[10]中的方法，分別對(duì)氣液兩相的密度、比熱容、動(dòng)力黏度和熱導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算，同樣進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，在Fluent中創(chuàng)建LNG和天然氣兩種物質(zhì)，其中LNG中各烷烴組分的摩爾分?jǐn)?shù)分別為，甲烷88%，乙烷8%，丙烷4%。固體域鋁合金的物性參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置，其密度為2 623.3 kg/m3, 比熱容為983 J/(kg·K),熱導(dǎo)率為227.95 W/(m·K)。

操作條件設(shè)置：打開重力場(chǎng)，沿管道軸線方向，即y軸方向，設(shè)置重力加速度為-9.81 m/s2。

邊界條件設(shè)置：對(duì)于鋁合金管內(nèi)，入口處設(shè)置為速度入口(velocity inlet)，LNG的速度在0.05～0.20 m/s范圍內(nèi)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1，入口溫度為111～126 K。翅片管出口采用壓力出口邊界(pressure outlet)，出口處壓力設(shè)置為0.5 MPa，液相的回流參數(shù)設(shè)置為0。鋁合金管外壁設(shè)置為wall邊界條件，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化范圍為100～300 W·m-2·K-1，來流環(huán)境溫度設(shè)定為300 K。管內(nèi)壁面會(huì)被Fluent軟件自動(dòng)識(shí)別流固耦合傳熱，在讀入網(wǎng)格時(shí)通常為流固界面生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的shadow面，并將這兩個(gè)面在傳熱問題上確定為耦合(coupled)關(guān)系。

計(jì)算工況的設(shè)計(jì)見表1。

表1 計(jì)算工況

續(xù)表1

6 求解

各方程的離散格式：Pressure-Velocity Coupling Scheme采用PISO，Gradient選擇Least Squares Cell Based，Pressure選擇PRESTO，其余方程均采用Second Order Upwind格式進(jìn)行離散。

欠松弛因子設(shè)定：為保證計(jì)算過程的穩(wěn)定性，在計(jì)算前期先調(diào)低所有欠松弛因子，待計(jì)算穩(wěn)定后再將其設(shè)定default，即Pressure、Density、Body Forces、Momentum、Vaporization Mass、Slip Velocity、Volume Fraction、Turbulent Kinetic Energy、Turbulent Dissipation Rate、Turbulent Viscosity、Energy的取值分別為0.3、1、1、0.7、1、0.1、0.5、0.8、0.8、1、0.91。

殘差設(shè)定：Energy殘差為1×10-6，其余為1×10-3。

初始化：先選用Standard Initialization，Relative to Cell Zone方式，Gauge Pressure、X velocity、Y velocity、Z velocity均為0，Turbulent Kinetic Energy為8.437 5×10-5，Turbulent Dissipation Rate為1.657 8×10-3。由于本文采用瞬態(tài)模擬計(jì)算，需要確保初始化的結(jié)果盡可能貼近實(shí)際物理現(xiàn)象，因此，通過Patch功能分別設(shè)置管內(nèi)計(jì)算域的溫度為300 K，壓力為5×105Pa，天然氣的體積分?jǐn)?shù)為1；固體鋁合金管的溫度為300 K。

本文研究的內(nèi)容是從LNG進(jìn)入鋁合金豎直翅片管開始?xì)饣焦軆?nèi)的氣化狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定的過程，因此采用瞬態(tài)模擬計(jì)算，時(shí)間步長采用自適應(yīng)的方式，將步長控制在1×10-5～1×10-4s。每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)最大迭代次數(shù)為200。Fluent實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道出口天然氣的體積分?jǐn)?shù)變化，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)變化達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，即可認(rèn)為此時(shí)管內(nèi)流動(dòng)沸騰達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

7 計(jì)算結(jié)果及分析

7.1 管內(nèi)流場(chǎng)特性

本文定義工況0：LNG的入口流速為0.15 m/s，入口溫度為126 K，管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為300 W/(m2·K)。圖3～6展示了工況0條件下，豎直翅片管管內(nèi)LNG氣化過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，不同高度區(qū)域內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)云圖和速度矢量分布(軟件截圖)，其中，色標(biāo)右側(cè)的標(biāo)值為氣相體積分?jǐn)?shù)，速度矢量用黑色箭頭線表示。沿管道豎直向上(y軸正方向)，管內(nèi)不同位置所表現(xiàn)出的流場(chǎng)特性有明顯差異。根據(jù)天然氣氣泡的大小、位置、形狀以及密集程度，可以劃分不同的兩相流型，例如泡狀流、彈狀流以及攪拌狀流等。從圖3～6可以看出，當(dāng)LNG剛進(jìn)入管道后，管內(nèi)主流區(qū)域的速度場(chǎng)分布較為均勻，但是由于受到熱壁面的加熱，管壁附近有零星的氣泡產(chǎn)生，氣泡處的流動(dòng)出現(xiàn)輕微紊亂。隨著LNG向上流動(dòng)，受到管壁持續(xù)加熱，管內(nèi)氣泡數(shù)量增加，氣泡直徑增大。在氣泡存在的區(qū)域，氣相的速度比液相的速度大，氣液兩相之間有明顯的速度差，液相受到氣相的擾動(dòng)更強(qiáng)。在圖5和圖6中，一些兩相流動(dòng)區(qū)域出現(xiàn)了局部回流的現(xiàn)象。

圖3 工況0穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)管內(nèi)y=[0.015 m, 0.047 m] 區(qū)域內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)云圖和速度矢量分布(軟件截圖)

圖4 工況0穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)管內(nèi)y=[0.145 m, 0.177 m] 區(qū)域內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)云圖和速度矢量分布(軟件截圖)

圖5 工況0穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)管內(nèi)y=[0.385 m, 0.417 m] 區(qū)域內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)云圖和速度矢量分布(軟件截圖)

圖6 工況0穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)管內(nèi)y=[0.725 m, 0.757 m] 區(qū)域內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)云圖和速度矢量分布(軟件截圖)

7.2 氣泡行為

氣泡的生長過程受到多個(gè)力的共同作用，主要有體積力、表面張力、來自氣液界面的黏性應(yīng)力、氣泡內(nèi)的蒸氣壓力以及熱壁面對(duì)氣泡的反作用力。起初，氣化核心的半徑較小，盡管熱壁面的液膜溫度較高，但是氣泡內(nèi)的壓力大于液相壓力，其對(duì)應(yīng)的飽和溫度比較高。此時(shí)液膜與氣泡之間的溫差較小，將其視為等溫生長過程，在這個(gè)階段氣泡生長的推動(dòng)力主要是氣泡內(nèi)部的蒸氣壓力與液相作用在氣液界面上的應(yīng)力之和減去氣液之間表面張力。當(dāng)氣泡直徑逐漸增大時(shí)，其受到的體積力迅速增大，氣泡內(nèi)的蒸氣壓力逐漸減小，溫度隨之降低，液膜與氣泡之間的溫差逐漸變大，此后氣泡的生長過程便受液膜與氣泡之間的傳熱過程主導(dǎo)。

圖7～9為工況0條件下，豎直翅片管管內(nèi)高度為y=[0.075 m, 0.210 m]區(qū)域內(nèi)熱壁面上氣泡間的聚合現(xiàn)象。其中，色標(biāo)右側(cè)的標(biāo)值為氣相體積分?jǐn)?shù)。為了便于觀察，使用白色方框框選圖中選定的氣泡，使用粉紅色箭頭指示氣泡行為的變化歷程。

圖7 工況0條件下熱壁面上氣泡間的聚合行為 (軟件截圖)

隨著氣泡本身的不斷生長，當(dāng)氣泡直徑增大到一定范圍時(shí)，氣泡之間就會(huì)出現(xiàn)聚合現(xiàn)象，將這種沿管長方向的聚合稱為縱向聚合。從圖7中可以看出，氣泡的聚合行為最先出現(xiàn)在熱壁面附近，上游氣化核心處產(chǎn)生的氣泡多數(shù)并未直接脫離，而是受到浮力和液相的拖曳力，沿著壁面向上滑移，同時(shí)由于持續(xù)受熱，其直徑不斷增大，相鄰兩個(gè)氣泡之間的距離減小，從而逐漸發(fā)生融合。

從圖8可以看到，在時(shí)間為0.65 s時(shí)，兩個(gè)氣泡間的液膜已經(jīng)開始逐漸融合，最終在時(shí)間為0.67 s時(shí)，兩個(gè)氣泡在靠近管道中心軸的主流區(qū)實(shí)現(xiàn)了完全融合，成為體積更大的氣泡。在氣泡脫離熱壁面進(jìn)入主流區(qū)以后，由于浮力和拖曳力的作用，氣泡上升速度不斷加快，但是對(duì)于處在上下相鄰位置的兩個(gè)氣泡而言，下方的氣泡會(huì)受到上方氣泡的尾流作用，其上升加速度大于上方氣泡的加速度，使得兩個(gè)氣泡之間的距離不斷減小。

圖8 工況0條件下主流區(qū)氣泡縱向聚合(軟件截圖)

在氣泡重點(diǎn)聚合區(qū)，其數(shù)量逐漸增多導(dǎo)致間距變小，在主流區(qū)出現(xiàn)了氣泡間的橫向聚合，見圖9。在時(shí)間為1.23 s時(shí)，圖9中標(biāo)出的兩個(gè)氣泡基本處于同一水平高度，且兩者之間尚存在較厚的液膜，但是在時(shí)間為1.26 s時(shí)，兩個(gè)氣泡之間的距離縮短，逐漸發(fā)生聚合行為。值得注意的是，與熱壁面處氣泡的上升速度相比，圖9所示的主流區(qū)的氣泡上升速度較小，原因是熱壁面附近氣相體積分?jǐn)?shù)較大，導(dǎo)致混合相流速高于主流區(qū)。

圖9 工況0條件下主流區(qū)氣泡橫向聚合(軟件截圖)

在主流區(qū)，氣泡失去熱壁面的橫向束縛，常以球狀或者橢球狀向上運(yùn)動(dòng)。上升氣泡的形態(tài)和大小與流體本身的物性有較大的關(guān)系，主要受到表面張力和上升浮力的影響。奧托斯數(shù)[11]正是表征氣泡上升過程中表面張力和浮力的相對(duì)影響，其計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中Eo——奧托斯數(shù)

de——與氣泡體積相等的圓球的直徑，m

g——重力加速度，m/s2

ρl——液相密度，kg/m3

ρg——?dú)庀嗝芏龋琸g/m3

σ——表面張力系數(shù)，N/m

當(dāng)離散相為空氣，連續(xù)相為水時(shí)，Eo臨界值為40，Eo低于臨界值時(shí)氣泡主要呈現(xiàn)球狀或者橢球狀，高于臨界值時(shí)則由帽狀轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則的形狀[11]。由于Eo臨界值是混合相物性參數(shù)的函數(shù)，因此，本文根據(jù)空氣-水混合相的Eo臨界值，以及LNG-天然氣混合相的密度和表面張力系數(shù)，推算出LNG-天然氣混合相的Eo臨界值為7 443。天然氣氣泡的體積在上升過程中不斷增大，其等效直徑增大后，從式(1)中可以看出，等式右側(cè)分子部分所代表的浮力將逐漸增大，并開始占據(jù)主導(dǎo)地位。當(dāng)Eo高于7 443時(shí)，氣泡形狀隨之發(fā)生相應(yīng)變化，不再呈現(xiàn)規(guī)則的球狀或橢球狀。從圖9可以看出，氣泡的體積越大，其形狀越扭曲。此外，從圖4可以發(fā)現(xiàn)，氣泡在靠近熱壁面?zhèn)群椭髁鱾?cè)的速度相差較大，氣泡緊貼熱壁面?zhèn)鹊乃俣却笥谥髁鲄^(qū)的速度，因此，形成了拖曳的效果，導(dǎo)致圖4和圖9中熱壁面上的大體積氣泡多呈現(xiàn)“半個(gè)箭頭”形狀。

7.3 氣液兩相流型

本文模擬結(jié)果表明，LNG在管內(nèi)的流動(dòng)沸騰過程中出現(xiàn)的流型有泡狀流、彈狀流、攪拌流、霧狀流，并未出現(xiàn)環(huán)狀流。在對(duì)流型的劃分中，本文部分借鑒了文獻(xiàn)[5]的劃分方法，具體的劃分方法見表2。與文獻(xiàn)[5]不同的是，將氣相體積分?jǐn)?shù)為0～0.18階段分為了單液相流和泡狀流兩種流型。對(duì)于單液相流，主流溫度盡管未達(dá)到飽和溫度，但由于存在過冷沸騰的原因，依然會(huì)有氣泡產(chǎn)生，極少量的小氣泡脫離壁面后，受到過冷液體的冷卻而快速湮滅，因此，將其作為兩相流區(qū)的特殊階段。

表2 LNG豎直翅片管管內(nèi)氣液兩相流型劃分

從LNG進(jìn)入管道一直到管內(nèi)完成氣化，即氣相天然氣的體積分?jǐn)?shù)從0達(dá)到1，這個(gè)區(qū)域統(tǒng)稱為兩相流區(qū)域。各流型在管內(nèi)分布長度的統(tǒng)計(jì)依據(jù)是流型的特征和對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)。各流型在管內(nèi)分布長度與兩相流區(qū)域總長度的比值，稱為兩相流中各流型占比。在上述眾多流型中，攪拌流所對(duì)應(yīng)的流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)較大[5]，故而對(duì)不同LNG入口流速、LNG入口溫度以及管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等條件下的管內(nèi)流動(dòng)沸騰進(jìn)行模擬研究，目的在于擴(kuò)大攪拌流區(qū)域，增大流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)，提高空溫式氣化器的利用效率。

7.3.1 LNG入口溫度對(duì)兩相流型分布的影響

LNG一般經(jīng)泵加壓后進(jìn)入空溫式氣化器，進(jìn)入空溫式氣化器的LNG并不會(huì)即刻蒸發(fā)沸騰。若進(jìn)口LNG的溫度太低，將使得氣化器管長增加，導(dǎo)致設(shè)備體積過大。圖10為豎直翅片管管內(nèi)流動(dòng)沸騰達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后LNG入口溫度對(duì)兩相流型分布的影響，其計(jì)算條件是，LNG的入口流速為0.15 m/s，管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為300 W/(m2·K)，入口溫度為111～126 K。

圖10 LNG入口溫度對(duì)兩相流型分布的影響

從圖10可以看出，在不同LNG入口溫度的條件下，管內(nèi)兩相流中各流型占比不同。當(dāng)空溫式氣化器的入口處溫度為111 K時(shí)，管內(nèi)單液相流區(qū)域較長，占?xì)庖簝上嗔鲄^(qū)域的31.4%；其次是泡狀流區(qū)域，其占比為18.1%。單液相流和泡狀流的區(qū)域均隨著LNG入口溫度的升高而減小，其中單液相流區(qū)域的變化幅度最大，當(dāng)溫度升高到126 K時(shí)，單液相流區(qū)域的占比下降到8.2%。這是因?yàn)楫?dāng)入口LNG溫度較低時(shí)，低溫的LNG需要在管內(nèi)流動(dòng)更長的距離、吸收更多的熱量，才能進(jìn)入泡狀流區(qū)域。對(duì)于泡狀流區(qū)域而言，在管壁和管道中軸線之間存在較大的溫度梯度，靠近熱壁面處氣泡密度較大，中軸線附近的氣泡密度小，由此使得泡狀流區(qū)域受到一定程度的拉長。隨著LNG入口溫度的增高，攪拌流區(qū)域的占比獲得了較大的提高。當(dāng)入口溫度為126 K時(shí)，攪拌流和霧狀流區(qū)域占比的總和達(dá)到了70.6%，表明LNG的入口溫度越高，管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)越大，換熱效果越好。

7.3.2 LNG入口流速對(duì)兩相流型分布的影響

隨著空溫式氣化器負(fù)荷的變化，入口處的LNG流速會(huì)隨之發(fā)生變化。當(dāng)LNG的入口流速為0.05 m/s，對(duì)應(yīng)的天然氣出口流量(折合成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為34 m3/h。圖11為豎直翅片管管內(nèi)流動(dòng)沸騰達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后LNG入口流速對(duì)兩相流型分布的影響，其計(jì)算條件是，LNG的入口流速為0.05～0.20 m/s，入口溫度為126 K，管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為300 W/(m2·K)。

圖11 LNG入口流速對(duì)兩相流型分布的影響

由圖11可見，隨著LNG入口流速的增大，單液相流、攪拌流、霧狀流在兩相流中的占比逐漸增大；泡狀流與彈狀流區(qū)域則隨著入口流速的增大而減小，且彈狀流區(qū)域減小的幅度最大。當(dāng)入口流速為0.05 m/s時(shí)，單液相流段較小，在兩相流中的占比為3.8%。這是由于較小的入口流速，意味著管內(nèi)的質(zhì)量流量較小，主流區(qū)的LNG經(jīng)過較短的管程距離便達(dá)到了泡狀流階段。當(dāng)LNG的入口流速從0.05 m/s增大到0.20 m/s時(shí)，泡狀流區(qū)域和彈狀流區(qū)域的占比(絕對(duì)值)分別減少了9.5%和22.9%。這是因?yàn)殡S著入口流速的增加，氣液兩相之間的相對(duì)速度不斷增大，氣液界面之間的黏性應(yīng)力增加，使得氣泡尺寸被拉長，且管內(nèi)氣液兩相的流速增大后，兩相流的湍流強(qiáng)度增大，氣泡之間更容易擠壓碰撞，由此導(dǎo)致管內(nèi)的泡狀流和彈狀流區(qū)域不斷縮小。與霧狀流相比，攪拌流的占比僅從28.8%增加到33.7%，增加幅度較小。原因主要為隨著氣相體積分?jǐn)?shù)的增大，氣相的流速劇烈升高，較高的氣流速度使得霧狀流區(qū)域中的液相體積分?jǐn)?shù)升高，增大了霧狀流區(qū)域在管內(nèi)的分布長度。

7.3.3 管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)兩相流型分布的影響

由于環(huán)境空氣變化以及管外結(jié)霜的原因，管外的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會(huì)有明顯的變化。圖12為豎直翅片管管內(nèi)流動(dòng)沸騰達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)兩相流型分布的影響，其計(jì)算條件是，LNG的入口流速為0.15 m/s，入口溫度為126 K，管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為100～300 W/(m2·K)。

圖12 管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)兩相流型分布的影響

由圖12可見，隨著管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的提高，單液相流和泡狀流在兩相流中的占比快速下降，攪拌流和霧狀流的占比則是迅速上升，而彈狀流占比的變化較小。當(dāng)管外的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為100 W/(m2·K)時(shí)，單液相流在氣液兩相流中的占比為30.2%，泡狀流的占比為33.4%，遠(yuǎn)高于彈狀流和攪拌流的占比。這是因?yàn)?，管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較低時(shí)，在管內(nèi)壁處的熱流密度較小，使得液相中氣泡的直徑和密度均比較小，氣泡之間融合的概率就比較低，氣泡之間基本呈現(xiàn)彼此孤立的狀態(tài)。當(dāng)管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)從100 W/(m2·K)增大到300 W/(m2·K)時(shí)，熱壁面上氣泡受到較高的熱流密度加熱，無論是氣泡直徑還是脫離熱壁面的頻率都會(huì)增大，使得攪拌流的占比從8.6%增加到32.3%。

鑒于攪拌流所對(duì)應(yīng)的流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)較大，增大攪拌流區(qū)域，有利于提高管內(nèi)的流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)，進(jìn)而提高空溫式氣化器的利用效率。對(duì)比圖10～12中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)入口溫度從111 K增大到126 K時(shí)，攪拌流區(qū)域占比增大了14.3%；入口速度從0.05 m/s增大到0.20 m/s時(shí)，攪拌流區(qū)域占比僅增大了4.8%；而改善管外的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)使其從100 W/(m2·K)增大到300 W/(m2·K)時(shí)，則可使攪拌流區(qū)域占比增大23.7%。因此，與增大LNG入口溫度、LNG入口流速相比，通過改善管外的表面?zhèn)鳠釓?qiáng)度更能夠提高空溫式氣化器的換熱效率。

8 結(jié)論

為了揭示LNG空溫式氣化器管內(nèi)流動(dòng)沸騰特征，對(duì)沸騰過程中氣泡行為和兩相流型的分布和轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究。研究對(duì)象為豎直鋁合金翅片管，并將其等效簡化為豎直光管，其高度為5 m，管內(nèi)直徑為0.02 m，管外直徑為0.026 m。管內(nèi)LNG的入口流速為0.05～0.2 m/s，入口溫度為111～126 K，管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化范圍為100～300 W/(m2·K)，環(huán)境溫度為300 K，環(huán)境壓力為101.325 kPa。采用ICEM 19.0軟件建立豎直光管的二維模型并劃分四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，利用Fluent 19.0軟件對(duì)管內(nèi)液化天然氣或天然氣計(jì)算域和管壁固體計(jì)算域進(jìn)行傳熱模擬，研究不同LNG入口流速、LNG入口溫度以及管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等條件對(duì)沸騰過程中氣泡行為和兩相流型分布和轉(zhuǎn)換的影響。采用流體體積法對(duì)氣液兩相界面追蹤捕捉，利用用戶自定義的方式將表征沸騰過程的S. Hardt模型引入計(jì)算流程中。研究結(jié)果表明：

① 氣泡的聚合及沿?zé)岜诿娴幕剖窃诒砻鎻埩?、浮力以及氣液之間剪切應(yīng)力作用下的重要運(yùn)動(dòng)形式。

② LNG入口溫度增加可以減小單液相流在兩相流中的比例，同時(shí)增大攪拌流和霧狀流區(qū)域；LNG入口流速增大時(shí)，兩相流中泡狀流和彈狀流區(qū)域快速減少，攪拌流區(qū)域小幅增加；管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大，可顯著提高攪拌流的占比。

③ 與增大LNG入口溫度、LNG入口流速相比，通過改善管外的表面?zhèn)鳠釓?qiáng)度更能夠提高空溫式氣化器的換熱效率。