结构参数对三维拉伐尔喷管流场分布影响的数值模拟

2015-01-03许旺龙吕彦力付云飞郑州轻工业学院能源与动力工程学院

油气田地面工程 2015年9期

袁培许旺龙吕彦力付云飞郑州轻工业学院能源与动力工程学院

袁培许旺龙吕彦力付云飞郑州轻工业学院能源与动力工程学院

采用流体动力学软件ANSYS CFX，对不同结构参数的三维拉伐尔喷管的流体流场分布影响进行数值模拟分析，得到喷管内天然气流场的分布曲线。分析结构参数对拉伐尔喷管内流体流场分布的影响，并对不同的喷管结构参数进行均匀设计，选出最优结构参数。研究结果表明：喷管结构参数变化对喷管流场有不同程度的影响，入口直径对流体的流场分布影响较小，喉部直径和出口直径对喷管内流场分布的影响很大。通过均匀设计试验可知，在一定的结构参数范围内，拉伐尔喷管的最优结构参数是入口直径Di=70 mm，喉部直径Dt=6 mm，出口直径Do=20 mm。

拉伐尔喷管；结构参数；数值模拟；均匀设计

引言

天然气在开采、集输和加工过程中，天然气中的水蒸气易凝结为液态水，当天然气中的酸性气体硫化氢和二氧化碳等溶于液态水中时，形成酸性溶液，会腐蚀和堵塞天然气管线中阀门及仪表等装置。利用喷管的超音速分离技术对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[1-2]。

宋婧[3]对喷管的超音速分离技术进行了详细分析和研究，通过数值模拟，得出了超音速喷管内部流动参数和凝结参数的变化规律，以及超音速喷管几何结构参数变化对超音速分离效果的影响规律。文闯等[4]研究了喷管的收缩比、收缩半角和扩张半角对天然气超音速喷管分离性能的影响，增大收缩比和收缩半角可以有效改善喷管分离性能，但收缩半角大于30°时，改善效果不明显，扩张半角对分离性能有显著影响。刘雪东等[5]采用CFD方法模拟了水在不同结构参数的拉伐尔喷管中对空化效果的影响，结果表明，在几个结构参数中，喉部直径的改变对喷管空化特性的影响最大。

虽然有不少学者对天然气分离技术进行了数值模拟研究，但是针对喷管结构参数对喷管内部流场影响进行数值模拟研究的还很少。本文对天然气超音速分离器喷管的关键部件拉伐尔喷管进行数值模拟分析，研究不同结构参数对拉伐尔喷管的流体流场分布影响权值，可为喷管结构优化设计提供参考依据，节省喷管实验设计耗费的大量人力、物力，提高经济效益。

1 数值模拟方法

1.1 模型描述

拉伐尔喷管由收缩段、喉部和扩张段组成，收缩段采用维托辛斯基曲线设计，扩张段采用锥形管设计，锥角在8°～12°范围内，此处采用10°。定义Di是喷管入口直径，Dt是喉部直径，Do是出口直径。

1.2 网格划分

采用高质量网格划分软件ANSYS ICEM对拉伐尔喷管模型进行网格划分（具体采用O型网格技术、SST湍流模型和六面体结构化网格划分），加密喷管壁面边界层，流体介质设置成和天然气物性参数相同的理想气体，网格划分如图1所示。

图1 喷管网格划分

入口边界：质量流量入口边界设置为0.93 kg/s；出口边界：outlet边界；壁面：绝热壁面。

2 模拟结果与分析

利用CFX软件对拉伐尔喷管进行模拟。设定残差收敛标准为10-5，不同结构参数的模拟结果均满足质量、动量和能量残差均小于10-5，且不平衡度曲线平缓，趋近于零，认为数值求解高度收敛。

2.1 入口直径对流场的影响

入口直径Di影响拉伐尔喷管的流场分布。分别对Di为65、70、75、30和110 mm的拉伐尔喷管进行模拟分析，其他参数设置：收缩段采用维托辛斯基曲线设计，扩张段采用锥形管设计，收缩段长度100 mm，喉部长度1 mm，锥角设置为10°，喉部直径Dt=13 mm，出口直径Do=25 mm。对以上结构参数的拉伐尔喷管进行模拟，得出流体的温度分布。

流体温度沿着喷管轴线的变化规律如图2所示。

图2 不同入口直径喷管沿着喷管轴线方向的流体温度分布

从图2可以看出：沿着喷管轴向，不同入口直径喷管的流体温度分布趋势一致，喷管内的流体沿着轴向温度不断降低，出口的温度最低。

通过对比图中流体温度-轴线曲线可知：总体而言，不同入口直径对温度沿喷管轴向分布影响较小。相对于较大的入口直径，小的入口直径对温度分布影响较大，在收缩段表现得较为明显。

2.2 喉部直径对流场的影响

喉部直径Dt影响拉伐尔喷管的流场分布。分别对Dt为12、13、14、6和20 mm的拉伐尔喷管进行模拟分析，其它参数设置：收缩段采用维托辛斯基曲线设计，扩张段采用锥形管设计（对不同喉部直径，采用锥形管设计将使喷管扩张段长度发生变化），收缩段长度100 mm，喉部长度1 mm，锥角设置为10°，入口直径Di=70 mm，出口直径Do=25 mm。对以上结构参数的拉伐尔喷管进行模拟，得出流体的温度分布。

流体温度沿着喷管轴线的变化规律如图3所示。

从图3可以看出：沿着喷管轴向，不同喉部直径喷管的流体温度分布趋势一致，喷管内的流体沿着轴向温度不断降低，出口的温度最低。

图3 不同喉部直径喷管在沿着喷管轴线方向的流体温度分布

通过对比图中流体温度-轴线曲线可知：当喉部直径相差不大时，如图中喉部直径为12，13和14 mm的喷管，喷管的温度分布近似相等，且喉部直径越小的喷管，温度越高；喉部直径很小或较大时，温度在扩张段下降很明显。

2.3 出口直径对流场的影响

出口直径Do影响拉伐尔喷管的流场分布。分别对Do为20、25、30、15和35 mm的拉伐尔喷管进行模拟分析，其它参数设置：收缩段采用维托辛斯基曲线设计，扩张段采用锥形管设计（对不同出口直径，采用锥形管设计将使喷管扩张段长度发生变化），锥角设置为10°，喉部直径Dt=13 mm，出口直径Do=25 mm。对以上结构参数的拉伐尔喷管进行模拟，得出流体的温度分布。

流体温度沿着喷管轴线的变化规律如图4所示。