环形超声速喷管内天然气流场特性.pdf

72 0 化 工 进 展 里 I N D U S T R Y A N D E N G I N E E R I N G P R O G R E S S 2 0 1 1 年第 3 0 卷第4 期 环形超声速喷管内天然气流场特性 文 闯，曹学文，杨 燕，张 静 中国石油大学储运与建筑工程学院，山东 青岛 2 6 6 5 5 5 摘要依据角动量守恒原理设计 了一种用于天然气脱水的环形超声速喷管，建立了相应的物理和数学模型， 并采用 R NG k - s湍流模型对喷管内天然气流场特性进行了数值计算。结果表明，天然气进入环形超声速喷管后 发生膨胀降温，在喷管出口处马赫数可达 1 ． 8 5 ，温度低达一7 0℃，天然气经旋流叶片产生旋流，离心加速度最 大可达 6 4 0 0 0 0 g ，在低温和旋流场的联合作用下，天然气中的水凝结成液滴并被甩向管壁，实现天然气脱水。 与传统的拉法尔喷管不同的是，中心体的存在可以有效地加强旋流，但同时旋流效应会降低喷管的膨胀制冷 性 能。 关键词环形喷管；超声速；旋流；天然气流场 中图分类号 T E 8 6 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 1 0 4 0 7 2 0 0 5 Fl o w c ha r a c t e r i s t i c s o f na t ur a l g a s i n a nnu l a r s u pe r s o n i c n o z z l e s WEN Ch u a n g， CAO Xu e we n， Y ANG Y a n， ZHANG J i n g Co l l e g e o f T r a n s p o r t S t o r a g e a n d C i v i l En g i n e e r i n g，C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， Qi n g d a o 2 6 6 5 5 5，S h a n d o n g ，Ch i n a Abs t r a c t A n e w a n n ul a r s u p e r s on i c n oz z l e wa s de s i gn e d f o r n a t u r a l g a s d e h y rd r a t i on b a s e d o n t h e pr i nc i p l e of c o n s e r va t i o n o f a n g ul ar mo m e n t u m ．Co r r e s po n d i n g m a t h e ma t i c a l a n d p h y r s i c a l mo d e l s we r e e s t a bl i s h e d ．Th e flo w c ha r a c t e r i s t i c s o f n a t ur a l ga s i n t he an n u l ar s u pe r s o n i c no z z l e we r e nu me ric a l l y s i mu l a t e d wi t h t h e RNG k e t ur b ul e nc e mo d e 1 ．The r e s u l t s s ho we d t h a t n a t ur a l g a s e x pa n de d t o s up e r s on i c v e l oc i t y， r e s ul t i n g i n a l o w t e mp e r a t u r e i n t h e a n n u l ar n oz z l e s ．The M a c h nu mb e r c o ul d r e a c h 1 ． 8 5 a t a l o w t e mp e r a t u r e o f -- 70 ℃a t t h e n o z z l e e x i t ． The s wi r l i n g mot i o n wa s ge n e r a t e d b y t h e va n e s l o c a t e d a t t h e e n t r a nc e of t he n oz z l e， l e a di n g t o a c e nt r i f ug a l f i e l d o f a bo ut 6 4 0 00 0 g． W a t e r c ou l d b e c o n d e n s e d a nd r e mo v e d f r om n a t u r a l g a s u n d e r t he c o mbi n e d e f f e c t s o f l o w t e mpe r a t u r e a n d s t r o n g c e n t r i f u ga l fie l d．The s Wo n g s wi r l i ng flo w c o ul d b e o b t a i n e d i n t h e an n u l a r no z z l e a s a r e s ul t o f t he c e n t r a l b o d y ． W h e n t h e s wi r l i ng flO W pa s s e d t h r o ug h t h e no z z l e，the e x pan s i on c ha r a c t e r i s t i c s o f the n oz z l e wa s we a ke ne d， whi c h wa s d i ffe r e n t f r o m the c o mm o n La v a l n oz z l e ． Ke y wo r ds a nn u l a r no z z l e ； s u p e r s o ni c ； s wi r l i n g f l o w ； na t u r a l g a s flo w f i e l d 从井 口开采 的天然气含有大量的饱和水蒸气， 在天然气集输和处理过程中，当温度降至天然气露 点温度时，饱和蒸汽便会凝结形成液态水，从而降 低管道输送能力，增大动力消耗 ；与烃结合形成水 合物引起管道及 阀门的堵塞， 与 H S和 C O 2 等酸性 气体作用加速管道和设备的腐蚀。目前常用的天然 气脱水技术包括 J T阀和透平膨胀机低温脱水、三 甘醇脱水及分子筛脱水等技术I 】 J 。超声速旋流分离 技术是近年来用于天然气脱水的新工艺 ～ 1 ， 相对于 传统的天然气分离技术，超声速旋流分离技术具有 收稿 日期2 0 1 0 0 8 ． 1 1 ；修改稿日期2 0 1 0 0 9 2 8 。 基金项目国家高技术研究发展计划 2 0 0 7 A A0 9 Z 3 0 1 及国家科技 重大专项 2 0 0 8 Z X0 5 0 1 7 ． 0 0 4 项目。 第 一 作 者 文 闯1 9 8 5一 ， 男 ， 博 士 研 究 生 。 E m a i l we n c h u a n g 2 0 0 8 1 6 3 ．c o m。联系人曹学文，教授，博士生导师，从 事天然气加工与处理技术的研究。E ma i l c a o x wu p c ． e d u ．c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 文闯等环形超 声速 喷管内天然气流场特性 密 闭无泄漏、无需化学药剂、结构紧凑轻巧、简单 可靠 无转动部件 、 投资和使用成本低、支持无人 值守等优点，在当今注重节能减排的大环境下 ，有 着极为广泛的发展空间。 作为新型的天然气脱水处理技术，超声速旋流 分离技术的研究刚刚起步，其主要有两种结构 ，一 种是将旋流装置安装在超声速喷管之后 本文定义 为先膨胀后旋流型分离器 ， 另一类是将旋流装置安 装在喷管收缩段之前 即先旋流后膨胀型分离器 。 杨志毅【 4 】 对先膨胀后旋流型分离器 的工作原理、各 个构件进行 了详细的分析讨论。 L i u 对先膨胀后 旋流型分离器进行了结构设计，以湿空气为介质进 行了室内试验研究。曹学文等 分析了基于先膨胀 后旋流型分离器的超声速翼 的旋流特性 。蒋文 明 等 I 7 对先膨胀后旋流型分离器的天然气脱水性能进 行 了现场试验研 究。以上的研究表 明，对于先膨 胀后旋流型分 离器来讲 ，由于流体 的轴 向速度 向 切 向速度的转 化发生在超声速条件下 ，旋流装置 后 易产生复杂的斜激波且难 以控制 ，能量损失较 大 。B e t t i n g等 】 介绍 了先旋流后膨胀型分离器的 工作原理 、优点 ，对商业应用 的可能性和未来应 用情况进行 了分析 ，但缺 乏对超声速分离器的具 体技术研究。 J a s s i m等[ 9 - 1 0 1 对超声速喷管 内高压天 然气 的流动特性进行 了研究 ，分析了真实气体和 喷管结 构对 流体 流动特 性特 别是 激波 位置 的影 响。K a r i mi 等⋯ 利用 MA T L A B 和 HYS YS软件 仅讨论 了入 口温度 、压力 、流量和 出 口背压对超 声速喷管内天然气流场的影响，都未涉及旋流装 置的问题 。 本文作者针对 当前 的先膨胀后旋流型分离器 存在流场不均匀、容易产生激波等缺点，根据角动 量守恒原理，设计一种内置中心体、可用于先旋流 后膨胀型分离器 的环形超声速喷管，并在喷管入 口 之前安装一组旋流叶片，对来流为旋流的环形超声 速喷管内部的天然气旋流场进行数值模拟研究。 1 数学模型 1 ． 1 控 制方程 天 然气在超声速喷管 中的运动是三维可压缩 的强旋流运动，数值计算涉及的连续性方程、动量 方程和能量方程如式 1 ～式 3 所示。 连续性方程 0 1 a f “ 一 动量方程 1 毒 詈 一 一 等 。 c2 能量方 程 E O ． p u jE u jP 一 未 一 3 0 式中， P、U 、P分别为气体密度 、速度、静压； T ／j 为黏性应力张量 ；E为总能；q j 为热通量；t 为 时间 。 1 ． 2 湍流模型 超声速喷管内天然气的雷诺数非常高，在大部 分流体区域，湍流的作用 比黏性力的作用更大，因 此对喷管 内流体流动的数值计算研究来说，湍流模 型的选择尤为关键。二方程模型中的R NG足 一 模型 适用于高雷诺数湍流场的求解 ，尤其对强旋流流场 有着很好的改进效果 。 湍流动能 k方程 c川 毒 c 鲁 考 j G G pe一 十S 4 扩散 E 方程 未 c ， 未 c 丢 考 j c l 丢 C 3 G b 等 5 式中， 是由平均速度梯度而产生的湍流动能 生成项；Gb 是由浮力而产生的湍流动能生成项；y M 是可压湍流 中脉动量的增长对湍流动能的贡献， 和 源项 ；C 1 ，C 2 ，C a 是 常量 ，通 常 C 1 1 ．4 2 ， C 2 e 1 ． 6 8 ，C a 由流场当地速度矢量决定； 和 是 k方程和 程的湍流 P r a n d t l 数的倒数 。 在 k的输运方程 中 一 _ d uj 6 根据 B o u s s i n e s q假设有如下形式 ／ t , S 7 式中，S为平均应变率张量。 S , ／ 2 s S 8 糖十 ] 湍流有效黏度 f f 依赖 于湍 流黏度微分方程 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 化 工 进 展 2 0 1 1 年第 3 O卷 确 定 。 d 等 ] 1．72 d 式中， ，C 1 0 0。 通 常在 高雷诺数下可 以用式 i i 计算湍流 黏度 。 1 1 根据重整化理论，c 0 ． 0 8 4 5 。 在考虑旋转流对湍流的影响后 ， 可 以对 仟 作出 如式 1 2 的修正。 。， ， ， ] c 2 式中， 就是式 1 0 和式 1 1 中的 f f ； 是旋转数； 是旋转常数，其数值取决于流动是强 烈旋转还是中等旋转 ，中等旋转取 0 ． 0 5 ，强烈旋转 取 0 ． 0 7 。 2 数值计算 2 ． 1 物理模型 超声速喷管可 以使气流膨胀 以获得超声速，并 在出口处形成低温低压。由于是高速流动，天然气 在喷管内的滞 留时间非常短，通常不超过 2 ms ，因 此不会产生水合物，也无需水合物抑制剂和抑制剂 回收系统。本研究根据角动量守恒定律设计了一种 包含中心体的环形超声速喷管，中心体和管壁之间 的环形流道构成喷管的收缩段 亚声速区 、 喉部 临 界区和扩张段 超声速区 ，具体结构如图 1 。在 该结构中，轴向速度向切向速度的转化发生在亚声 速段，叶片后不会产生激波，克服了当前分离器中 激波不易控制的缺 点。 另外需要说明的是，本研究所用的旋流装置为 一 组螺旋叶片， 其安装在喷管收缩段之前的稳定段 ， 叶片安装角为 4 5 。 。 2 ． 2 数值方法 数值计算采用 R NG k - e湍流模型， 计算过程采 用有限体积法和二阶迎风格式对模型进行离散，用 壁面函数法处理近壁面流动，速度场和压力的耦合 采用 S I MP L E算法。在本数值计算 中，计算时的收 敛判据为能量方程的残差绝对值小于 1 0 一，其它变 量的残差绝对值小于 1 0 ～。 网格质量对数值计算 的准确性和稳定性也有 着重要的影响，由于非结构网格对复杂边界的适应 性强，可以在流场参数变化剧烈的旋流叶片周围进 行局部网格加密。 本研究用 GA MB I T软件进行计算 区域的网格划分，采用 四面体非结构 网格，网格尺 寸为 1 ． 8 ，网格数为 5 5 8 8 7 8 。 针对超声速可压缩气体流动特征，设定进 口边 界为压力入 口，出口边界为压力出口，固体壁面采 用无滑移、无渗流、绝热边界。 数值计算 中流体介质采 用中原 白庙凝析气 田 2 6井天然气组分， 并将 C 5 以上组分设为 c 5 进行简 化计算 ，简化后的天然气组分为 2 ． 0 4 ％N2 ， 0 ． 4 5 ％ CO2 ，0． 03 ％ H2 O，91 ． 36 ％ CH4 ，3 ． 6 3 ％ C2 H6 ，1 ． 4 4％ C3 H8 ， 0． 2 6 ％ i - C4 Hl o ， 0． 4 6％ n C4 Hl o ， 0 ． 1 7 ％ i - C5 H1 2 ， 0 ． 1 6 ％ n C5 Hl 2 。 2 ． 3 模型验证 本研究 以 B o e r n e r 等【 l _3 J 的理论与实验数据来验 证本数值方法是否可用于喷管 内复杂的超声速旋 流场的数值计算 ，对 比结果见 图 2 。该研 究中以 量纲为 1 参数 和 M 表征旋流强度和通过喷管喉 部 的质量流量比率 ，分析了旋流强度对通过喷管 喉部质量流量的影响。旋流 强度 定义为最大切 向速度与临界速度之比， 质量流量比率 定义为来 流的旋流强度为 时，通过喷管喉部的质量流量与 来流的旋流强度为零时通过喷管喉部的质量流量之 雌 ⋯⋯． ． ／ 图 1 环形超声速喷管 图 2 旋流强度 对喷管喉部质量流量比率 影响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 文 闯等 环形超声速喷管 内天然气 流场特性 比。从图 2可以看 出，数值计算结果与理论、实验 结果的最大误差为 1 ． 5 ％， 尤其是在强旋流条件下吻 合较好。由此表明，本文作者采用的数值计算方法 用于拉伐尔喷管中可压缩流体复杂旋流场的数值计 算时，具有 良好的准确性和稳定性。 3 结果与讨论 根据以上的设计和数值计算方法，在入口压力 为 4MP a 、流量为 1 0 X1 0 m0 ／ d 、温度为 3 0℃的计 算工况下，对超声速喷管进行设计，设计的喷管出 口马赫数为 2 ． 0 ， 并对天然气的流动特性进行数值模 拟计算，结果如下。 3 ． 1 天然气流场轴向分布 图 3 ～图 6为超声速喷管内天然气的平均马赫 数、平均静压、平均静温、平均切向速度沿轴向的 变化规律。从图 3中可 以看出，天然气进入环形喷 管后，由于流道面积逐渐减小，气流被平稳压缩 ， 在喷管的收缩段，流体流速缓慢增加 ；气流在喉部 达到临界条件 ，马赫数达到 1 ． 0 ， 形成声速流；到达 喉部后加速膨胀，形成超声速流，在超声速喷管的 出口处，天然气的马赫数可以达到 1 ． 8 5 。 在天然气被压缩与膨胀 的情况下，伴随着能量 z I mm 图3 平均马赫数轴向分布 ／ mm 图 4 平均静压轴向分布 z ／ mm 图 5 平均 静温轴 向分布 ／ r n m 图6 平均切向速度轴向分布 的转换，造成静压与静温的变化。从图 4和图 5中可 以看出，在喷管的收缩段，静压和静温缓慢降低；到 达喉部后，静压和静温下降较快，形成低温低压区， 静压可达 0 ． 8 5 MP a ，静温低达--7 0℃。在喷管内温 度急剧下降的过程中，气流达到过饱和状态开始凝 结，出现成核现象，随后液滴开始生长，形成气液混 合物；由于流体停留的时间特别短 只有几毫秒 ， 是一个不平衡的瞬态过程，因此不会形成水合物。 从图 6中可以看出，天然气进入喷管后在旋流 叶片的作用下发生旋转，切向速度增加到 6 0 m ／ s 左 右 ；在喷管的收缩段 ，天然气的旋转半径急剧减 小 ，根据角动量守恒 定律 ，流体的切 向速度将大 大增加，在喉部 ，天然气 的切 向速度达到最大约 为 l 8 0 m／ s 在喷管的扩张段 ，边界层与摩擦 阻力 的作用 使切 向速度略有减小，在 喷管出口处天然 气 的切 向速度 为 1 7 0m／ s 左右 ， 喷管 出口处中心体 的半径为 4 ． 5 mi n ，根据离心加速度的公式，此时天 然气受到的最大的离心加速度大约为 6 4 0 O 0 0 g g 为重力加速度 。 然而，从上面的分析结果可以看 出，喷管出口 的马赫数为 1 ． 8 5 ， 没有达到设计值 2 ． 0 ， 本文作者认 为这是 由于旋流叶片的存在使一部分轴向速度转化 为切 向速度 ，从而造成膨胀不足 。也就是说，和传 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 化 工 进 展 2 0 1 1 年第 3 O卷 统的拉法尔喷管不同的是，当喷管之前的来流为旋 流时，旋流效应会降低喷管的膨胀制冷性能。 在本设计的环形超声速喷管中，天然气膨胀至 超声速 ，形成低温低压 0 ． 8 5 MP a 、--7 0℃使天 然气中的水发生凝结；同时，天然气在旋流叶片的 作用下发生旋转，切向速度 由于环形喷管的收缩而 得到大大增强，离心加速度可达 6 4 0 O 0 0 g 为重 力加速度 。 在 巨大的离心场的作用下， 凝结液滴被 甩 向管壁，在管壁上形成一层液膜后被分离，从而 实现天然气脱水的 目的。 3 ． 2 天然气流线及速度矢量图 图7为超声速喷管 内天然气流线图。从图 7中 可以看出，天然气进入喷管稳定段后沿螺旋叶片运 动，在叶片的作用下一部分轴向速度转化为切 向速 度，在喷管的环形流道中做旋转运动，随着旋转半 径的减小，旋转速度大大增加，喷管扩张段的强烈 旋流可以使气液有效分离 。 图 8为喷管出口截面天然气的速度矢量图。从 图 8中可以看 出，在喷管的环形流道中，天然气做 强旋流运动，此时中心体的存在可以保证旋流是同 轴心的， 从而可以有效解决旋转气体的涡耗散 问题， 大大提高旋流分离的效率。 4 结 论 1 依据角动量守恒原理设计了一种用于天然 气脱水的环形超声速喷管， 该喷管包含一个中心体， 该特殊结构可以有效地加强旋流；但同时，当天然 气以旋流形式进入喷管后 ，气体的旋流效应会损害 图 7 超 声速喷管 内天然气流线 图 8 喷管出 口速度矢量 图 喷管的膨胀制冷性能。 2 在环形超声速喷管中，天然气膨胀至超声 速，形成低温低压 0 ． 8 5 MP a 、--7 0℃使天然气 中的水发生凝结；天然气在旋流叶片的作用下发生 旋转 ，离心加速度可达 6 4 0 O 0 0 g ，低温环境和 巨大 离心场的共同作用实现天然气脱水的目的。 3 在超声速环形喷管中，天然气在环形流道 中做旋转运动，随着旋转半径的减小，旋转速度大 大增加；同时中心体可以保证旋流是同轴心 的， 有效地解决了旋流 的涡耗散 问题 ，提高了分离 的 效 率 。 4 在超声速旋流分离器中，超声速旋流场是 使凝结的水和重烃液滴发生分离的关键 ，但 目前对 该问题的研究相对不足，下一步工作的还要对旋流 场的影响进行深入 的研究。 参考文献 【 l 】 冯叔初，郭揆常，等油气集输与矿场加工【 M] ．东营中国石油 大学出版社，2 0 0 6 ． [ 2 1 Ok i mo t o F，Br o u we r J M． S u p e r s o n i c g a s c o n d i ti o n i n g[J ] ． Wo r ld Oi l ， 2 0 0 2， 2 2 3 8 9 9 1 ． [ 3 】 Al f y o r o v V， B a g i r o v L，Dmi t r i e v L，e t a 1 ．S u p e r s o n i c n o z z l e e ffic i e n t l y s e p a r a t e s n a t u r a l g a s c o mp o n e n t s [J ] ． Oi l＆ Ga s J o u r n a l ， 2 0 O 5 ， 5 5 3 ． 5 8 ， [ 4 】 杨志毅． 油气超音速旋流分离技术研究【 D 】 ．四川西南石油学院， 2 O o 4 ． [ 5 1 Li u H W，L i u Z L，F e n g Y X，e t a1． Ch a r a c t e r i s ti c o f a s u p e r s o n i c s wi r l i n g d e h y d r a ti o n s y s t e m o f n a tur a l g a s [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f Ch e mi c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ， 1 3 1 9 - 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