冷流率對大口徑渦流管性能影響分析

陸 梅,田 園,王 杰,劉 陽,李亞茜,沈 群

(1.重慶科技學(xué)院,重慶 401331;2.中國石化西南油氣分公司,四川 成都 610051;3.西南油氣分公司重慶氣礦,重慶 401331)

引 言

渦流管內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單,無運(yùn)動部件,主要由進(jìn)口流道、渦流室、分離孔板、冷熱端管和熱端閥[1]組成。渦流管獨(dú)特的幾何構(gòu)造具有節(jié)流降壓功能,可以作為關(guān)鍵設(shè)備代替節(jié)流閥[2],簡化天然氣井口輸氣站節(jié)流工藝。優(yōu)勢是既滿足節(jié)流需求又可以縮小節(jié)流前后氣體溫降區(qū)間。渦流管內(nèi)部運(yùn)行工況：氣體沿切線進(jìn)入渦流室中形成兩股高速旋流,其中外旋氣體溫度升高流至熱端出口,內(nèi)旋氣體溫度下降流至冷端出口。

冷流率η含義：冷端出口氣體流量與入口總流量比值[3]。大小由熱端閥控制,是改變渦流管能量分離效應(yīng)的重要參數(shù)。目前冷流率對渦流管性能影響研究主要基于小型結(jié)構(gòu)渦流管以及低壓工況,比如：王宗勇等[4]基于小尺寸渦流管模型研究發(fā)現(xiàn),渦流管單位制冷量及制冷效率都隨冷流率增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。何麗娟等[5]采用數(shù)值模擬方法分析得到,隨著冷流率增大,冷熱氣體分界面逐漸增大,制冷效應(yīng)呈現(xiàn)減弱趨勢。高凡等[6]發(fā)現(xiàn)冷流率較大時(shí)靜壓值和溫度值變高,熱端管中冷熱兩股流體能量交換面積逐漸增大,制熱效果明顯,但制冷效果減弱。何鵬等[7]建立大管徑渦流管,控制冷流率為0.4,低壓工況下模擬計(jì)算分析八流道渦流管流動與傳熱特性。學(xué)者們建立的物理模型多為小尺寸,或者小流量低壓等工況[8],基于高壓工況、大口徑渦流管對冷流率的研究較少。

鑒于天然氣井口輸氣站大流量、高壓輸送特點(diǎn),本文采用輸氣站節(jié)流工藝中實(shí)際運(yùn)行參數(shù)作為邊界條件,基于Fluent對大口徑渦流管進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,控制冷流率為0.1～0.9,探究各冷流率工況下流場中溫度、壓力和速度變化規(guī)律,比選出最佳冷流率值,為大口徑渦流管的實(shí)際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 模型建立

1.1 物理模型

渦流管物理模型尺寸：進(jìn)口4流道,長度均為50 mm,正方形橫截面,面積均為105.88 mm2;熱端管D/L=80/1 436 mm;冷端管D/L=40/240 mm。圖1為渦流管三維模型,渦流室至熱端出口為Z軸正方向,流道進(jìn)口方向?yàn)閅軸負(fù)方向。

1.2 網(wǎng)格劃分

基于ICEM劃分整體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,進(jìn)口流道、渦流室、冷熱端出口區(qū)域加密,提高網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約100萬,相關(guān)計(jì)算參數(shù)達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)性,網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 渦流管三維模型Fig.1 3D model of vortex tube

圖2 網(wǎng)格示意圖Fig.2 Grid diagram

1.3 假設(shè)及邊界條件

數(shù)值模擬計(jì)算中作出以下假設(shè)：

(1)渦流管內(nèi)無熱源,無熱交換;(2)忽略重力影響;(3)圓臺結(jié)構(gòu)代替熱端閥。

邊界條件：入口壓力(總壓)12 MPa,溫度(總溫)298 K;冷端出口壓力9 MPa;熱端出口壓力可調(diào);采用絕熱無滑移壁面,Scalable Wall Function格式處理壁面。計(jì)算工質(zhì)選擇可壓縮理想氣體—甲烷。

1.4 控制方程及計(jì)算方法

調(diào)研發(fā)現(xiàn)[9-10],Standardk-ω湍流模型滿足渦流管流場計(jì)算,因此使用Standardk-ω湍流模型描述渦流管高速旋流。

為了提高計(jì)算精度,壓力-速度耦合[11-12]采用SIMPLEC算法;Pressure方程求解采用PRESTO!;Density、Momentum、Turbulent Kinetic Energy、Turbulent Dissipation Rate和Energy方程求解均采用Thild-Order MUSCL格式。

2 模擬結(jié)果分析

研究發(fā)現(xiàn),渦流管能量分離效應(yīng)對流場中溫度、壓力、速度參數(shù)有顯著影響。選取上述物性參數(shù)分析冷流率變化對渦流管性能影響規(guī)律。

一定冷流率工況下,對渦流管流場中溫度、壓力和速度變化規(guī)律進(jìn)行分析研究。同時(shí),控制冷流率為0.1～0.9,對渦流管關(guān)鍵部位處溫度、壓力及速度軸向、徑向方向的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

2.1 流場分析

一定冷流率(0.5)工況下,基于Y-Z截面分析渦流管流場中各物性參數(shù)變化規(guī)律,各物性參數(shù)分布云圖如圖3所示。由圖3可知,氣體進(jìn)入渦流管后形成兩股氣體：溫度場中外旋氣體緊貼管壁流至熱端出口,沿流動方向溫度逐漸上升,在熱端出口處溫度最高303 K;內(nèi)旋氣體圍繞軸心流至冷端出口,沿流動方向溫度逐漸下降,在冷端出口處溫度最低293 K。忽略傳熱損失,冷熱端氣體合流后溫度幾乎不變,說明氣體經(jīng)過渦流管后溫降區(qū)間縮小。壓力場中存在壓力滯止點(diǎn)和分界層,沿流動方向內(nèi)外旋氣體壓力均減小,熱端出口氣體壓力9.5 MPa,冷端出口氣體壓力9.0 MPa,說明渦流管具有節(jié)流降壓功能,節(jié)流區(qū)間約為3.0 MPa。速度場中同樣存在速度方向折點(diǎn)和分界層,兩股氣體流動方向區(qū)分更加明顯,沿流動方向內(nèi)外旋氣體速度均減小,進(jìn)一步說明冷熱端出口均具備節(jié)流降壓效果,導(dǎo)致氣體速度減小。綜上所述,渦流管既滿足節(jié)流降壓需求,又可以縮小節(jié)流前后氣體溫降區(qū)間。

同時(shí)發(fā)現(xiàn),軸向方向渦流管軸心(r=0 mm)和管壁(r=40 mm)附近,徑向方向渦流管冷端出口(z=-0.2 m)、渦流室(z=0.005 m)和熱端出口(z=1.431 m)截面各物性參數(shù)變化梯度明顯?？刂评淞髀蕿?.1～0.9,分析上述關(guān)鍵部位各物性參數(shù)變化規(guī)律。

圖3 冷流率0.5時(shí)各物性分布云圖Fig.3 Distributions of physical properties at cooling rate of 0.5

2.2 溫度場

圖4為各冷流率工況下主管段區(qū)管壁和軸心處總溫軸向變化趨勢。由圖4可知,冷流率增大,沿流動方向管壁處外旋氣體溫度均上升,熱端出口溫度最高。冷流率0.1～0.5變化時(shí),外旋氣體溫度上升趨勢平緩;冷流率0.6～0.9變化時(shí),外旋氣體溫度上升趨勢明顯。說明冷流率0.5為節(jié)點(diǎn),當(dāng)冷流率大于0.5時(shí)對外旋氣體溫度升高影響較大,制熱效果加強(qiáng)。冷流率0.9時(shí),管壁處溫度變化梯度最大,但沿流動方向軸心處內(nèi)旋氣體溫度均下降,渦流室溫度最低。冷流率逐漸增大時(shí),內(nèi)旋氣體溫度下降趨勢明顯。說明冷流率0.1～0.9變化時(shí),對內(nèi)旋氣體溫度降低均存在影響,但溫度變化梯度大致相同,制冷效果減弱。

圖5為各冷流率工況下冷熱端出口和渦流室處總溫徑向變化趨勢。由圖5可知,冷流率增大,沿徑向方向冷熱端出口截面處氣體溫度均上升,但上升趨勢平緩。說明內(nèi)外旋氣體在渦流管主管段區(qū)完成能量分離,流至冷熱端出口處氣體溫度已趨于穩(wěn)定,但沿徑向方向渦流室截面處氣體溫度變化出現(xiàn)分界層。徑向位置r<28 mm時(shí),內(nèi)旋氣體溫度變化趨勢與冷端出口截面相同;徑向位置r>28 mm時(shí),外旋氣體溫度均為約298 K。說明渦流室處為內(nèi)外旋流氣體能量分離始端,內(nèi)旋氣體在渦流室處溫度下降區(qū)間不太明顯,外旋氣體溫度與進(jìn)口溫度大致相同。

從關(guān)鍵部位軸向、徑向方向溫度變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)：冷流率0.5時(shí),冷熱端出口流出氣體流量各占入口總流量的50%。忽略傳熱損失,冷熱端出口氣體合流后溫度與入口溫度大致相同,節(jié)流前后溫降區(qū)間幾乎為0 K。增大冷流率,熱端出口氣體溫度升高,但流量減少,導(dǎo)致冷端低溫氣體流量增加,合流后氣體溫度下降,節(jié)流前后溫降區(qū)間變大,影響后續(xù)輸送工藝。

圖5 各冷流率工況下出口和渦流室處總溫沿徑向的變化Fig.5 Radial variation of total temperature at outlet and in vortex chamber under different cooling rates

2.3 壓力場

控制冷流率為0.1～0.9,分析關(guān)鍵部位壓力變化規(guī)律。圖6為各冷流率工況下管壁和軸心處總壓軸向變化趨勢。由圖6可知,冷流率增大,沿流動方向管壁處外旋氣體和軸心處內(nèi)旋氣體壓力均減小,且變化梯度明顯。說明冷流率0.1～0.9變化時(shí),對內(nèi)外旋氣體壓力影響較大。

圖7為各冷流率工況下冷熱端出口和渦流室處總壓徑向變化趨勢。由圖7可知,冷流率增大,沿徑向方向冷熱端出口截面處氣體壓力均增大,且增加趨勢明顯。說明冷流率增大后,冷熱端出口氣體壓力變化均加強(qiáng),冷端出口尤為突出,因?yàn)槔涠顺隹诹髁吭黾?導(dǎo)致氣體壓力變化范圍比熱端出口大。沿徑向方向渦流室截面處出現(xiàn)壓力分界層,徑向位置r<28 mm時(shí),內(nèi)旋氣體壓力均增大;徑向位置r>28 mm時(shí),外旋氣體壓力均為12 MPa左右。說明渦流室處為內(nèi)外旋流氣體壓力變化始端,冷流率增大導(dǎo)致冷熱端出口壓差變大,沿流動方向內(nèi)外旋氣體在主管段區(qū)發(fā)生壓能損耗。

圖6 各冷流率工況下管壁和軸心處總壓沿軸向的變化Fig.6 Axial variation of total pressure at tube wall and axis under different cooling rates

圖7 各冷流率工況下出口和渦流室處總壓沿徑向的變化Fig.7 Radial variation of total pressure at outlet and in vortex chamber under different cooling rates

從關(guān)鍵部位軸向、徑向方向壓力變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)：冷流率0.5時(shí),冷端出口氣體壓力9.0 MPa,熱端出口氣體壓力9.5 MPa,渦流管節(jié)流壓降區(qū)間3.0 MPa左右。增大冷流率,外旋氣體壓力也隨之變大,熱端出口節(jié)流效果明顯下降,不滿足降壓需求,同時(shí)大部分氣體從冷端出口流出,渦流管徹底變?yōu)楣?jié)流閥,沒有研究意義。

2.4 速度場

(1)軸向速度

控制冷流率為0.1～0.9,分析關(guān)鍵部位軸向速度變化規(guī)律。圖8為各冷流率工況下管壁和軸心處總壓軸向變化趨勢(正負(fù)號代表速度方向)。由圖8可知,冷流率增大,沿流動方向管壁處外旋氣體軸向速度均先減小后增大。說明冷熱端出口壓差變大,外旋氣體流至熱端出口受阻,軸向速度減小。在熱端閥附近,外旋氣體轉(zhuǎn)向變?yōu)閮?nèi)旋氣體。沿流動方向軸心處內(nèi)旋氣體軸向速度均增大,且在熱端閥處均為0 m/s。說明冷熱端出口壓差變大,內(nèi)旋氣體快速流至冷端出口,導(dǎo)致軸向速度增大。

圖8 各冷流率工況下管壁和軸心處軸向速度沿軸向的變化Fig.8 Axial variation of axial velocity at pipewall and axis under different cooling rates

圖9為各冷流率工況下冷熱端出口和渦流室處軸向速度徑向變化趨勢。由圖9可知,冷流率增大,冷端出口截面處氣體軸向速度均增大,但變化趨勢平緩;熱端出口截面處氣體外旋轉(zhuǎn)內(nèi)旋流動,軸向速度方向改變;渦流室截面處出現(xiàn)軸向速度分界層,徑向位置r<28 mm時(shí),內(nèi)旋氣體軸向速度均增大;徑向位置r>28 mm時(shí),外旋氣體軸向速度均減小。由于內(nèi)外旋氣體與管壁摩擦損耗,軸向方向管壁處軸向速度均為0 m/s。說明冷熱端出口壓差變大,導(dǎo)致徑向方向軸向速度變化規(guī)律與壓力變化規(guī)律相反。

圖9 各冷流率工況下出口和渦流室處軸向速度沿徑向的變化Fig.9 Radial variation of axial velocity at outlet and vortex chamber under different cooling rates

(2)切向速度

控制冷流率為0.1～0.9,分析關(guān)鍵部位切向速度變化規(guī)律。圖10為各冷流率工況下管壁和軸心處切向速度軸向變化趨勢。由圖10可知,冷流率增大,沿流動方向管壁處外旋氣體切向速度均減小,但變化梯度區(qū)間極小。說明冷熱端出口壓差變大,對外旋氣體切向速度影響較小。沿流動方向軸心處內(nèi)旋氣體切向速度先增大后減小。說明冷熱端出口壓差變大,內(nèi)旋氣體快速流至冷端出口,切向速度增大。

圖11為各冷流率工況下冷熱端出口和渦流室處切向速度徑向變化趨勢。由圖11可知,冷流率增大,冷端出口截面處氣體切向速度先增大后減小為0 m/s;熱端出口截面處氣體外旋轉(zhuǎn)內(nèi)旋流動,切向速度方向改變。熱端出口截面處出現(xiàn)切向速度分界層,徑向位置r<28 mm時(shí),內(nèi)旋氣體切向速度均增大;徑向位置r>28 mm時(shí),外旋氣體切向速度均減小至0 m/s;渦流室截面處出現(xiàn)切向速度分界層,變化趨勢與熱端出口截面大致相同。由于內(nèi)外旋氣體與管壁摩擦損耗,徑向方向管壁處切向速度均為0 m/s。說明冷熱端出口壓差變大,導(dǎo)致徑向方向切向速度變化規(guī)律與壓力變化規(guī)律相反。

圖10 各冷流率工況下管壁和軸心處切向速度沿軸向的變化Fig.10 Axial variation of tangential velocity at tube wall and axis under different cooling rates

圖11 各冷流率工況下出口和渦流室處切向速度沿徑向的變化Fig.11 Radial variation of tangential velocity at outlet and in vortex chamber under different cooling rates

從關(guān)鍵部位軸向、徑向方向軸向速度和切向變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)：內(nèi)外旋氣體速度變化規(guī)律和壓力變化規(guī)律相反。增大冷流率導(dǎo)致冷熱端出口壓差變大,致使大部分氣體從冷端出口流出,速度增大,熱端出口氣體流量減少,速度減小。

3 結(jié) 論

(1)冷流率0.5工況下,大口徑渦流管中內(nèi)外旋流氣體溫度變化梯度明顯,內(nèi)外旋氣體存在熱交換。冷流率從0.1增至0.9時(shí),外旋氣體制熱效果加強(qiáng),內(nèi)旋氣體制冷效果減弱,但前者較突出。對比各冷流率工況下關(guān)鍵部位溫度軸向、徑向方向變化,發(fā)現(xiàn)冷流率0.5時(shí)最佳,冷熱端出口氣體溫度變化區(qū)間均為5 K左右。

(2)冷流率0.5工況下,大口徑渦流管中內(nèi)外旋流氣體出現(xiàn)壓力分界層和滯止點(diǎn),內(nèi)外旋氣體存在壓能損耗。冷流率從0.1增至0.9時(shí),冷熱端出口壓差變大,熱端出口節(jié)流效果大幅度下降。在徑向位置r=28 mm處,內(nèi)外旋氣體交匯分離。而且速度場中存在速度分界層和方向折點(diǎn),變化趨勢與壓力場同步。對比各冷流率工況下關(guān)鍵部位壓力軸向、徑向變化,發(fā)現(xiàn)冷流率0.5時(shí),冷端出口氣體壓力9.0 MPa,熱端出口氣體壓力9.5 MPa,渦流管節(jié)流區(qū)間壓力約3.0 MPa,達(dá)到節(jié)流降壓需求。

(3)綜合分析各冷流率工況下渦流管關(guān)鍵部位物性參數(shù)變化發(fā)現(xiàn)：渦流管內(nèi)外旋氣體在主管段區(qū)完成能量分離。冷流率0.5時(shí),大口徑渦流管將12 MPa氣體節(jié)流至9.0～9.5 MPa,忽略傳熱損失,節(jié)流前后氣體溫降區(qū)間幾乎為零。由此可見,冷流率0.5時(shí),渦流管節(jié)流同時(shí)氣體溫度不會發(fā)生變化,在天然氣井口輸氣站節(jié)流工況中設(shè)備性能最佳。