天然氣化工管道設備的CFD模擬

毛玉海

摘 要：在城鎮氣化站和加氣站傳輸時會遇到多處水平和垂直轉彎的情況，在彎管處液化天然氣的速度、壓強產生巨大變化，對彎管壁的壓強顯著增強，可能會產生氣泡，對管道產生一定隱患。針對有壓LNG管道，利用ANSYSWorkbench軟件的Fluent模塊數值模擬與分析，得到管道內部壓強場和速度場分布，通過對比不同流速下在管道轉彎處的流場，得到了不同流速對內部壓強的影響變化規律。

關鍵詞：液化天然氣管道 流場 數值模擬 Fluent

中圖分類號：TU712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（b）-00-02

液化天然氣（LNG）主要由大量的甲烷、少量的乙烷、丙烷、氮等組分構成，密度約為0.42～0.46g/cm3，文獻1使用ANSYSWorkbench軟件的有限元分析方法對船用LNG管道進行數值模擬分析，將罐體管道的連接接口處作為研究的管道為宜載荷，對管道進行應力校核，探索船用液化天然氣儲存罐和天然氣管道的應力分析方法，為船用LNG儲存罐和管道設計提供借鑒方法[1]；使用Fluent軟件模擬液化天然氣管道氮氣預冷卸料管溫度分布的規律，使用階段性降低氮氣入口溫度預冷的方法，探究卸料管道溫差產生的原因[2]；本文采用ANSYSWorkbench的Fluent模塊對液化天然氣不同流速下在管道轉彎處的流場進行數值模擬與分析，為今后壓強管道的設計和使用提供了一定的借鑒作用。

1 二維建模與網格劃分

由于液化天然氣管道成軸對稱的特點，我們使用ANSYSWorkbench的Geometry模塊建立“U”形液化天然氣管道二維幾何模型，公稱直徑設置為90mm，采用1.5D的彎頭，彎頭的彎曲半徑為137mm，管道的下行高度取500mm，建立完模型后從草圖生成面物體，使用ANSYSWorkbench自帶的mesh模塊對建立“U”形液化天然氣管道二維幾何模型進行網格劃分，網格數量的多少對模擬效果的影響很大，高階單元可更好地實現所建模型結構的復雜曲線邊界，不同階次單元之間或采用特殊的過渡單元連接，或采用多點約束等式連接由于彎管處變化較大，使用Mesh模塊的Sizing功能，使管道轉彎處網格劃分密集，彎管處應力變化較大，為了更好地反映數據變化規律，采用比較密集的網格，將進氣端設置為inlet，出口端設置為outlet。

2 利用Fluent求解器求解

將生成的Mesh文件導入Fluent模塊，使用Check功能檢查網格信息，當最小網格體積大于0時才可以用于計算，將管道的液化天然氣視為低速不可壓縮流體，選擇雙精度壓強基隱式求解器，管道流體的雷諾數大于4000，流動為湍流，湍流運動時流體質點具有不斷隨機的相互摻混現象，速度和壓強等物理量具有隨機性質的脈動，設置湍流模型為k-epsilon雙方程模型，使用k-ω雙方程模型進行湍流計算。k-ω雙方程模型分為標準的k-ω和SST k-ω模型。Wilcox k-ω模型在預測自由剪切流傳播速率時，取得了很好的效果，成功應用于尾跡流，混合層流動，平板繞流，圓柱繞流和放射狀噴射。因此，sst k-ω模型在很多時候比標準的k-ω模型更加有效。液化天然氣在管道中流動受壁面限制，壁面附近的流場變量梯度較大，使用Fluent自帶的標準壁面函數法處理液化天然氣管道的壁面，流體流動時遵循能量守恒定律、動量守恒定律、質量守恒定律，在設置操作環境時，操作壓強選取默認值，Y方向的重力加速度設置為-9.81g/cm3，定義流體的物理性質時設置液化天然氣的密度為0.45g/cm3，粘度為0.204Pa·s，在設置邊界條件時，將液化天氣管道模型的進口設置為velocity-inlet，入口速度分別設置為0.5m/s、1.5m/s、outlet設置pressure-outlet，出口的壓強設置為0.35Mpa，設置液化天然氣管道的壁面的邊界條件為默認條件，設置求解參數時，pressure-velocity Coupling對應的是壓強-速度耦合求解方式，為了提高計算精度，把差分格式調整為二階精度，依次點擊Solve-Intialize對流場進行初始化[3]，初始條件對求解的影響特別大，所以給出的初始值盡量接近真實值，氣化站運行壓強在0.4～0.6Mpa，將入口壓強設置為0.4Mpa，將殘差設置為0.000001，開始進行迭代運算。

3 結果分析

本模型存在2個90°彎頭，圖1、圖2是當進口流速分別是0.5m/s、1.5m/s LNG管道速度流場分布圖，從圖1-2可以看出彎管處出現二次流現象，渦心靠近外側壁面，遠離內側壁面，管道內側壁面對流場的約束作用較少，流速變化較小，彎頭外側壁面附近區域流速均迅速減少，這主要是彎道邊壁約束作用導致的。

圖3、圖4是當進口流速分別是0.5m/s、1.5m/sLNG管道壓強流場分圖，從圖3、圖4可以看出，彎管的最大壓力出現在彎管外側的附近區域，導致了在實際應用中LNG管道最容易磨損的部位在彎管外側，流體壓強隨著管道的運輸存在壓強損失而變小，彎頭內側壁面附近區域壓強小，彎頭外側壁面附近區域壓強大，這主要是由于在彎頭處離心力作用流體被甩到外側壁面導致大量流體積聚在外側壁面導致。

4 結語

利用Fluent軟件對有壓LNG管道進行了壓強場和速度場規律的探索，彎管處出現二次流現象，渦心靠近外側壁面，遠離內側壁面，管道內側壁面對流場的約束作用較少，流速變化較小，彎頭外側壁面附近區域流速均迅速減少，彎管的最大壓力出現在彎管外側的附近區域，導致了在實際應用中LNG管道最容易磨損的部位在彎管外側，隨著進口流速的增加，彎頭處最小壓強逐漸減小。

參考文獻

[1] 甘紹警，周瑞平，甘少煒，等.船用LNG儲罐與管道應力計算[J].艦船科學技術，2018（1）：35-40.

[2] 曹學文，吉俊毅，楊文.LNG卸料管道氮氣預冷溫度分布規律[J].油氣儲運，2016，35（5）：492-497.

[3] 張宇，欒江峰，張斯亮.基于FLUENT的壓強管道內部流場分析[J].當代化工，2014（6）：1106-1108.