天然气超音速分离流喷管的特性研究

张春林

(江苏华电昆山热电有限公司，江苏 昆山 215300)

1 问题的提出

天然气作为一种绿色环保能源的地位越来越突出，在天然气的运输过程中，天然气中的水蒸气容易凝结成液态水，当天然气中的酸性气体硫化氢等溶于水中时，会形成酸性溶液腐蚀设备。在一定压力和温度下，天然气和液态水形成天然气水合物，容易堵塞阀门和管线。利用喷管的超音速分离技术进行天然气脱水是防止酸性溶液和天然气水合物形成的有效措施，因此，有必要对天然气超音速分离流喷管进行详细研究。通过分析喉部结构参数变化对天然气超音速的影响，确保喷管在喉部达到音速，进而提高到超音速，利用天然气和水的物性不同达到超音速分离的作用。对该装置进行研究，对于下游的天然气节流降压、分离脱水等环节具有重要意义。

天然气超音速分离器主要由漩涡发生器、超音速分离流喷管和扩压器等部分组成。本文对天然气超音速分离器的关键部件天然气超音速分离流喷管进行模拟研究，天然气超音速分离流喷管几何形状如图1所示。按流体流动方向，可将天然气超音速分离流喷管分为入口段、拉伐尔喷管段和出口段3个部分。拉伐尔喷管段包括收缩段、喉部和扩散段。在流体流动过程中，收缩段速度不断提高，在喉部达到音速，随之在扩散段继续加速，达到超音速流动状态(如图1所示)。

图1 天然气超音速喷管几何形状

2 数值模拟方法

2.1 模型建立

喷管内天然气的流动区域作为数值模拟的计算区域，建立天然气超音速分离流喷管模型，三维喷管模型如图2所示。本文设置喉部直径分别为13.0 mm和13.5 mm的2种规格的喷管，标号分别为A喷管和B喷管，2种喷管除了喉部结构尺寸不同外，其他尺寸相同。

图2 天然气超音速分离流喷管模型

2.2 计算模型控制方程

通过求解Navier-Stokes方程，对超音速分离流喷管内部流场进行模拟分析，采用三维不可压缩、稳态、湍流模型，控制方程如下。

(1)质量守恒方程

(1)

式中：ρ为液体密度；u为x方向速度；v为y方向速度；w为z方向速度。

(2)x,y,z方向的动量方程分别为

(2)

(3)

(4)

(3)能量方程

div(λgradT)+Φ+Sh,

(5)

式中：h为流体比焓；λ为流体的导热系数；Φ为耗散函数；Sh为流体的内热源；gradT为热力学温度T的温度梯度。

(4)湍流方程。湍流模型采用工程计算中超音速广泛应用的剪切应力输运(SST)k-ω湍流方程模型，其中的k方程和ω方程限于篇幅需要不再赘述。

2.3 网格划分及边界条件

数值模拟的网格质量影响计算结果的精确性和收敛性，利用高质量网格划分软件ICEM对拉伐尔喷管模型进行网格划分，采用六面体结构化网格技术，加密处理壁面边界层，模拟采用SST湍流模型，在保证精度的情况下采用网格数35万个。网格划分如图3所示。

图3 喷管网格划分

边界条件设置为：入口压力，4 MPa；温度，303 K；流量，0.93 kg/s；壁面，绝热壁面；出口速度，超音速。

3 数值模拟结果及分析

利用CFX软件对喉部直径为13.5 mm和13.0 mm的拉伐尔喷管A和B进行模拟，模拟收敛曲线分别如图4所示。设置收敛标准为质量方程、动量方程残差小于10-4，可以看出2种不同喉部结构的模型都达到了收敛标准。

图4 A和B喷管的收敛曲线

喷管的马赫数、速度和温度云图变化如图5所示。A喷管的云图显示有规律的梯度分布，而B喷管出口段云图出现了明显的跳跃变化，可见喉部结构参数对流场分布的影响很大。A喷管和B喷管的最大马赫数均大于1，说明在喷管内的天然气达到了超音速，从马赫数和速度分布云图可知，A喷管的天然气在收缩段速度不断增大，在喉部达到音速，接着在扩散段继续增大，达到超音速，在出口段，横截面面积增大且速度减小。B喷管的天然气在收缩段速度不断增大，在喉部达到音速，接着在扩散段继续增大，达到超音速。在出口段，由于受回流的影响，在出口段速度逐渐减小区域出现速度跳跃，出现一段速度增大的部分。从速度分布云图可知，A喷管在扩散段和出口段的速度比B喷管大，这是因为A喷管的喉部直径为13.5 mm，B喷管的喉部直径为13.0 mm，随着喉部直径的减小，扩散段的内径也相应减小，由质量守恒定律可知，B喷管的速度必然比A喷管的速度大。当速度增大时，温度降低，速度减小时，温度升高，从温度分布云图可知，温度在收缩段逐渐降低，在扩散段达到最低温度，在出口段温度逐渐上升，扩散段形成的低温有利于将天然气中的水蒸气和可凝性气体由未饱和达到饱和状态，自发凝结成液滴，便于后期分离器的进一步分离。

图5 A，B喷管的马赫数、速度和温度分布云图

喷管扩张段和出口段垂直于轴线的马赫数、速度和温度沿着径向变化很大，在出口段取一横截面(如图6所示)，可以明显地看出A喷管的马赫数、速度和温度沿着径向变化很大，马赫数和速度随着半径的增大而减小，而温度随着半径增大而增大，这是由于气流的旋转而产生的。B喷管在中心和壁面之间存在一段跳跃区域，对于马赫数和速度而言，速度在跳跃区域最大，对于温度而言，温度在跳跃区最低。

图6 扩散段横截面马赫数、速度和温度云图

沿着轴线方向的A，B喷管压力分布曲线如图7所示。沿着轴线方向，压力逐渐降低，在喉部的压力最低，之后逐渐上升。A喷管的喉部压力比B喷管的喉部压力高，之后，A喷管的压力上升速率明显比B喷管的压力上升速率大，可见喉部压力受喉部结构参数的影响很明显，因此有必要对喉部结构进行合理的设计，保证合适的压力。

4 结论

本文建立了三维天然气超音速分离流喷管高速流动的数学模型，对喷管内天然气流动进行了数值模拟计算，分析了超音速分离流喷管喉部结构参数对喷管内部流场马赫数、速度和温度分布的影响，继而得出如下结论。

(1)喷喉部直径为13.5 mm的A喷管内天然气能达到的最低温度为267.41 K，喉部直径为13.0 mm的B喷管内天然气能达到的最低温度为215.94 K。

(2)A喷管和B喷管在扩散段和出口段达到了超音速，通过简单的改变结构参数，喷管的运行参数就会发生较大改变。因此，合理的喷管结构参数对天然气的气液分离十分重要。

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