摘要(yao)：氫氣作(zuo)爲全球(qiu)脫碳目(mu)标的重(zhong)要載體(ti)，輸送量(liang)🤟是限🌈制(zhi)其大❄️規(gui)模應用(yong)的主要(yao)瓶頸。摻(chan)氫天然(ran)氣是實(shi)現大流(liu)量輸💯送(song)氫氣的(de)📧一種重(zhong)要途徑(jing)。氫氣的(de)摻入導(dao)緻流速(su)畸變，降(jiang)低超聲(sheng)波📧流量(liang)計的性(xing)能。以摻(chan)入氫氣(qi)的甲烷(wan)爲主要(yao)工質，對(dui)8種類型(xing)摻混管(guan)路内部(bu)的氣體(ti)流動狀(zhuang)态進行(hang)🚶‍♀️模拟仿(pang)真研究(jiu)，分析流(liu)場内氣(qi)體速度(du)⛹🏻‍♀️和氫氣(qi)濃度的(de)分布狀(zhuang)态;并對(dui)超聲波(bo)流量計(ji) 的适應(ying)性進行(hang)分析，确(que)定其推(tui)薦安裝(zhuang)位置。在(zai)超聲流(liu)量計🥰的(de)适應性(xing)分析中(zhong)，三匝螺(luo)旋管時(shi)僅需15D;對(dui)于單螺(luo)♻️旋結合(he)變徑管(guan)的适應(ying)性影響(xiang)更大，最(zui)小需要(yao)96D。通過比(bi)📧較，摻混(hun)管路C爲(wei)最佳模(mo)型，摻混(hun)均勻時(shi)的氫氣(qi)摩爾分(fen)數約爲(wei)3.9%。可爲超(chao)聲波🌈流(liu)量計在(zai)摻氫天(tian)然氣正(zheng)确計量(liang)方面提(ti)供參考(kao)。
　　溫室氣(qi)體排放(fang)量增加(jia)導緻全(quan)球極端(duan)天氣頻(pin)發，碳中(zhong)和📧戰略(lue)轉型全(quan)球勢在(zai)必行叫(jiao)。從《巴黎(li)協定》無(wu)碳💋未來(lai)願景及(ji)碳中和(he)的全球(qiu)目标網(wang)到我國(guo)碳達峰(feng)、碳中和(he)😄的目标(biao)問，大規(gui)模氫氣(qi)輸送的(de)綜合能(neng)源系統(tong)是實現(xian)這些目(mu)标的有(you)效途徑(jing)。可再生(sheng)能源大(da)力💔發展(zhan)及氫能(neng)技術與(yu)産業🔞飛(fei)速發展(zhan)爲氫氣(qi)輸送和(he)應用的(de)快速⁉️發(fa)展提供(gong)了條件(jian)間。預計(ji)到2050年，全(quan)❌球可再(zai)生氫能(neng)能源達(da)到将近(jin)10°kW,全球氫(qing)能市值(zhi)将達到(dao)10萬億美(mei)元問。但(dan)氫能的(de)生産地(di)與使用(yong)地🏃‍♀️嚴重(zhong)不匹配(pei)☁️導緻氫(qing)能的發(fa)展受限(xian)。相比傳(chuan)⭕統高壓(ya)瓶、低溫(wen)液化等(deng)物理儲(chu)運方式(shi)的小輸(shu)送量、高(gao)成本、長(zhang)📱耗時7，管(guan)道💞輸送(song)可實現(xian)長距離(li)、大規模(mo)、低成本(ben)氫氣輸(shu)送且供(gong)🛀氣量持(chi)續穩定(ding)。基于現(xian)有天然(ran)✍️氣管網(wang)設施的(de)優勢，将(jiang)氫氣摻(chan)🛀入天然(ran)氣管道(dao)輸送是(shi)解決氫(qing)氣運輸(shu)的必然(ran)發展趨(qu)勢閣。
　　氫(qing)氣的物(wu)理和化(hua)學性質(zhi)與天然(ran)氣有較(jiao)大差異(yi)。氫氣摻(chan)🏃‍♂️入♊天然(ran)氣改變(bian)管道内(nei)的氣體(ti)狀态引(yin)起溫度(du)、壓力下(xia)降🌂回，影(ying)響着輸(shu)送系統(tong)計量裝(zhuang)置的正(zheng)确率。因(yin)此，對摻(chan)氫天⛷️然(ran)氣管道(dao)輸送🥰過(guo)程進行(hang)監測及(ji)計量至(zhi)關重👣要(yao)。超聲波(bo)氣體流(liu)量計具(ju)有壓損(sun)小、精度(du)高、響應(ying)時間快(kuai)和安全(quan)大🈚等優(you)點，在天(tian)😍然氣計(ji)量領域(yu)占據主(zhu)導地🥰1011。超(chao)聲波流(liu)量計針(zhen)對混合(he)氣體的(de)計量需(xu)保證🐪氣(qi)體混🌈合(he)均勻及(ji)管道内(nei)🈲流速穩(wen)定對稱(cheng)。
　　目前全(quan)球天然(ran)氣摻氫(qing)工業實(shi)踐項目(mu)共有39個(ge)，輸送量(liang)高達2900噸(dun)🌈/年間。2004年(nian)，歐盟開(kai)始建設(she)NaturalHy項目進(jin)行天然(ran)氣摻氫(qing)的應用(yong)研究，得(de)到系統(tong)運行的(de)最優摻(chan)氫比爲(wei)20%則。2017年，英(ying)國能源(yuan)供應公(gong)司開展(zhan)“HyDeploy”天然氣(qi)摻氫項(xiang)目，在第(di)一階段(duan)工作證(zheng)明利用(yong)現有天(tian)然氣管(guan)道加入(ru)20%氫氣摩(mo)爾分數(shu)是可行(hang)的5。2018年，國(guo)内首個(ge)天然氣(qi)摻氫示(shi)範項目(mu)研究♊呵(he)，得到3%~20%之(zhi)間的任(ren)意摻氫(qing)比。這些(xie)工業實(shi)踐項目(mu)爲大規(gui)模天然(ran)氣摻氫(qing)進💚行管(guan)道輸送(song)提🈲供了(le)正确的(de)依據。由(you)于摻氫(qing)天然氣(qi)屬于易(yi)燃易爆(bao)📧氣體，通(tong)常會先(xian)利用計(ji)算流體(ti)力學理(li)論方法(fa)對摻氫(qing)天然氣(qi)的流場(chang)進行分(fen)析，并對(dui)超聲波(bo)流量計(ji)在管道(dao)中的适(shi)應性進(jin)行數🐆值(zhi)模拟。Chen等(deng)71對不同(tong)雷諾數(shu)下單右(you)彎管和(he)孔闆下(xia)遊的氫(qing)氣流動(dong)進行模(mo)拟分析(xi)。流量計(ji)位置越(yue)靠近擾(rao)動裝置(zhi)，其誤差(cha)越大，增(zeng)加🍓聲路(lu)數量可(ke)有效減(jian)少誤差(cha)。Liu等18對管(guan)件連接(jie)處之⭐後(hou)的天然(ran)氣流動(dong)進行☎️仿(pang)真分析(xi)，并給出(chu)了超聲(sheng)波流量(liang)計安裝(zhuang)要求。邵(shao)欣等l9對(dui)最常見(jian)的90°單彎(wan)頭圓管(guan)過渡區(qu)甲烷流(liu)場的流(liu)動機理(li)進行分(fen)析。基于(yu)此安裝(zhuang)整流器(qi)可有效(xiao)改善管(guan)道内流(liu)場速度(du)分布，縮(suo)短超聲(sheng)波流量(liang)計的安(an)裝位置(zhi)。唐曉宇(yu)等20對90°單(dan)彎管道(dao)内空氣(qi)流動狀(zhuang)态進行(hang)分析，随(sui)下遊直(zhi)管距離(li)增👅加，超(chao)聲波氣(qi)體流量(liang)計的計(ji)量偏差(cha)逐漸減(jian)小。當🏃🏻管(guan)道内流(liu)🐆場分布(bu)非對稱(cheng)時，會影(ying)♻️響超聲(sheng)波計量(liang)效果。擾(rao)動越劇(ju)烈，氣體(ti)摻混效(xiao)果越好(hao)。國内外(wai)對于利(li)用超聲(sheng)🌏波流量(liang)計進行(hang)摻氫天(tian)然氣計(ji)量的模(mo)拟仿真(zhen)研究主(zhu)要集中(zhong)在改進(jin)聲道位(wei)置、數量(liang)、設置整(zheng)流器、旋(xuan)流器等(deng)，從而縮(suo)短超聲(sheng)波流量(liang)計的安(an)裝位置(zhi)。缺少對(dui)管路結(jie)構進行(hang)改進，本(ben)文❤️通過(guo)計算流(liu)體動力(li)學(computationalfluiddynamics,CFD)仿🍓真(zhen)手段，研(yan)究摻氣(qi)天然氣(qi)管道結(jie)構爲螺(luo)旋管(單(dan)螺旋、雙(shuang)螺旋、三(san)螺旋、六(liu)螺旋)和(he)單螺旋(xuan)+變徑管(guan)(膨脹管(guan)或收縮(suo)管)内的(de)氣體混(hun)合規律(lü)及速度(du)分布:并(bing)推薦💁了(le)⭕超聲波(bo)流‼️量計(ji)在螺旋(xuan)管路的(de)安裝位(wei)置，爲超(chao)聲波流(liu)量計的(de)正确計(ji)量提供(gong)🔴參考。
1摻(chan)氫天然(ran)氣管路(lu)模型
1.1數(shu)值仿真(zhen)模型建(jian)立
　　爲研(yan)究管路(lu)結構對(dui)摻氫天(tian)然氣摻(chan)混狀态(tai)影響，本(ben)文在單(dan)螺旋管(guan)摻混管(guan)路的基(ji)礎上，使(shi)用Design.modeler構建(jian)了8種摻(chan)混管路(lu)的3維模(mo)型，如圖(tu)❄️1所示。摻(chan)混管路(lu)分别爲(wei)不🔞同匝(za)數螺旋(xuan)管(單螺(luo)旋A型、雙(shuang)螺旋B型(xing)、三螺旋(xuan)C型、六螺(luo)旋D型)和(he)單⛱️螺旋(xuan)管路結(jie)合變徑(jing)管路(單(dan)螺旋+後(hou)膨脹E型(xing)、單螺旋(xuan)+後收縮(suo)F型、單螺(luo)旋+前膨(peng)脹G型、單(dan)螺旋+前(qian)收縮H型(xing))。由于将(jiang)密度較(jiao)輕氫氣(qi)從🤞底部(bu)充入天(tian)然🆚氣管(guan)🏃‍♂️路能取(qu)得較好(hao)的摻混(hun)效果，因(yin)此設🔅計(ji)從管路(lu)底部🧡充(chong)📐入天然(ran)氣。具體(ti)參數設(she)置爲:管(guan)路直徑(jing)D=100mm,甲烷入(ru)口🔴直徑(jing)爲1D，氫😘氣(qi)入口直(zhi)徑爲0.5D，出(chu)口💔直徑(jing)爲1D,螺旋(xuan)管曲率(lü)🈲半徑爲(wei)2D。氫氣入(ru)口(支管(guan)軸線)距(ju)螺旋管(guan)起始截(jie)面長🔅度(du)爲3D，多匝(za)螺🐕旋管(guan)螺距爲(wei)1.5D。膨脹管(guan)長度爲(wei)3D，膨脹管(guan)直♻️徑最(zui)大處爲(wei).1.5D;收縮管(guan)長度爲(wei)3D，收縮管(guan)直徑最(zui)小處爲(wei)0.5D。爲使氣(qi)體充分(fen)摻混，将(jiang)下遊管(guan)路總長(zhang)度設置(zhi)爲150D。在計(ji)算不同(tong)匝數👌螺(luo)旋管及(ji)單螺旋(xuan)管路結(jie)合變徑(jing)管路結(jie)果時，定(ding)義的長(zhang)度L是以(yi)螺旋.管(guan)終止截(jie)面爲起(qi)點。
 
1.2數學(xue)模型
　　氣(qi)體流動(dong)需滿足(zu)連續性(xing)方程、動(dong)量守恒(heng)方程、能(neng)量守🙇‍♀️恒(heng)方程🈚等(deng)基本控(kong)制方程(cheng)。
　　天然氣(qi)和氫氣(qi)在摻混(hun)過程及(ji)在管道(dao)流動中(zhong)的連續(xu)性方程(cheng)爲
 
　　式中(zhong)，p爲流體(ti)微元體(ti)上的壓(ya)力;u爲速(su)度矢量(liang);Fx,和Fy爲微(wei)元體在(zai)x軸，y軸和(he)z軸方向(xiang)上的力(li);Txx，Tyx，Tzx，Txy，Tyy，，Tzy:，Txz，Tyz，Tzz爲微元(yuan)體表面(mian)的不同(tong)黏性應(ying)力分量(liang)。
　　摻混過(guo)程及在(zai)管道流(liu)動中的(de)能量守(shou)恒定律(lü)爲
 
　　式中(zhong)，k爲流體(ti)傳熱系(xi)數，Cp爲比(bi)熱容，T爲(wei)溫度，St爲(wei)流體内(nei)🌈熱源和(he)因黏性(xing)作用流(liu)體機械(xie)能轉化(hua)爲熱能(neng)部分♊。
　　天(tian)然氣與(yu)氫氣摻(chan)混時需(xu)開啓組(zu)分運輸(shu)，此時管(guan)路中氣(qi)體的傳(chuan)😄播規律(lü)
 
　　其中，ρCw爲(wei)組分w的(de)質量濃(nong)度，Dw爲組(zu)分w擴散(san)系數。
　　天(tian)然氣摻(chan)氫的過(guo)程中遵(zun)循理想(xiang)氣體狀(zhuang)态方程(cheng)。
　　由于摻(chan)混過程(cheng)中的氣(qi)體參數(shu)(流量、壓(ya)力等)發(fa)生變🔆化(hua)，會導緻(zhi)摻混氣(qi)體的密(mi)度、動力(li)黏度、狀(zhuang)态方程(cheng)參數等(deng)🔅産生變(bian)化。具體(ti)✍️表達式(shi)
 
　　其中，Pop爲(wei)摻混氣(qi)體的工(gong)作壓力(li)，p爲相對(dui)于Pop的局(ju)部相對(dui)壓力，R爲(wei)氣體常(chang)數，T爲氣(qi)體溫度(du)，Yi爲第i種(zhong)氣體的(de)質🌏量分(fen)數，Mɷi爲♍第(di)i種氣體(ti).的分子(zi)質量。
 
　　其(qi)中，Um爲摻(chan)混氣體(ti)動力黏(nian)度，M爲氣(qi)體種類(lei)數，出爲(wei)第i種氣(qi)體的摩(mo)爾百分(fen)比，ui爲第(di)i種氣體(ti)的動力(li)黏度，Mi爲(wei)第i種氣(qi)體的相(xiang)對分子(zi)質量
　　本(ben)文以摻(chan)混均勻(yun)度u和速(su)度變異(yi)系數(coffi-cientofvariation,COV)來(lai)評價混(hun)合🛀程度(du)，輸出不(bu)同數據(ju)采集線(xian)處氫氣(qi)濃度以(yi)及速度(du)。
摻混均(jun)勻度μ計(ji)算公式(shi)爲
 
　　其中(zhong)，`a爲監測(ce)點氫氣(qi)濃度測(ce)量值的(de)平均值(zhi)，n爲取樣(yang)截面内(nei)💘所設監(jian)測點總(zong)數，a;爲第(di)i個監測(ce)點所得(de)的氫氣(qi)濃🏃度值(zhi)。各截面(mian)内設置(zhi)23個監測(ce)點進行(hang)摻混均(jun)勻度μ的(de)統計計(ji)算。
速度(du)COV計算公(gong)式爲
 
　　其(qi)中，σ爲标(biao)準偏差(cha)，`c爲監測(ce)點測量(liang)值的平(ping)均值，ci爲(wei)第i個監(jian)♈測❗點😍所(suo)得的氣(qi)體速度(du)值。各截(jie)面内設(she)置23個監(jian)測點進(jin)行速度(du)COV的統計(ji)計算。
1.3網(wang)格劃分(fen)
　　本文利(li)用ANSYSWorkbench中的(de)Mesh模塊，選(xuan)用四邊(bian)形或三(san)角形網(wang)格法對(dui)流體♈域(yu)進行網(wang).格劃分(fen)。網格數(shu)量對Fluent仿(pang)真計算(suan)結果有(you)至關💰重(zhong)要的影(ying)響。理🔴論(lun).上所采(cai)用的特(te)征尺寸(cun)網格越(yue)小，得到(dao)的仿真(zhen)結果越(yue)正确。但(dan)随着網(wang)格數量(liang)的增加(jia)🔞，對計算(suan)硬件資(zi)源的要(yao)求更高(gao)🚩，而且導(dao)緻計算(suan)時間延(yan)長，降低(di)求解結(jie)果的收(shou)斂🔞性。本(ben)文以摻(chan)混管路(lu)A，E爲代表(biao)👄，分析稀(xi)疏、中等(deng)、稠密三(san)種網格(ge)特點對(dui)出口氫(qing)氣濃度(du)變化的(de)影響，進(jin)行網格(ge)無關性(xing)驗證。結(jie)果如表(biao)1所示，随(sui)✉️網格數(shu)量增加(jia)，不同網(wang)格特點(dian)出口處(chu)氫氣摩(mo)爾分數(shu)波動很(hen)小。綜合(he)網格平(ping)👉均偏🔅斜(xie)系數和(he)網格平(ping)😘均質量(liang)👨‍❤️‍👨系數分(fen)析，三種(zhong)😘網格特(te)點下的(de)網格質(zhi)量均滿(man)足模型(xing)需求，可(ke)以忽略(lue)網格對(dui)☁️仿真計(ji)算結果(guo)精度的(de)影響。
 
　　基(ji)于上述(shu)無關性(xing)分析，本(ben)文選用(yong)中等特(te)點的網(wang)格。網格(ge)尺寸爲(wei)🐉10mm,單元數(shu)爲1220492個，節(jie)點數爲(wei)240017個。最終(zhong)網格平(ping)均偏斜(xie)系數爲(wei)0.20,标準⚽偏(pian)差爲0.11。偏(pian)斜系數(shu)在0~1範圍(wei)内，越接(jie)近0網格(ge)質量越(yue)優秀。網(wang)格平均(jun)質量系(xi)數爲0.85，标(biao)準偏差(cha)爲0.09。質⭕量(liang)系數在(zai)0~1範圍内(nei)，越接近(jin)1網格質(zhi)量越高(gao)，網格質(zhi)量滿足(zu)模型需(xu)求。
1.4邊界(jie)條件設(she)定
　　湍流(liu)模型選(xuan)用最具(ju)有适用(yong)性的标(biao)準k-ε模型(xing),适用氣(qi)體摻混(hun)計算，在(zai)減小計(ji)算量的(de)同時保(bao)證了計(ji)算精度(du)。在✉️操作(zuo)條件中(zhong)設定溫(wen)度爲300K,重(zhong)力沿y軸(zhou)負方向(xiang)爲9.8m/s2。管道(dao)入口均(jun)設置爲(wei)速度進(jin)口邊界(jie)條👌件，主(zhu)管道入(ru)口速度(du)爲6.75m/s(流量(liang):190.8m3/h)，摻混管(guan)道入口(kou)速度爲(wei)3m/s(流💋量:21.2m3/h);主(zhu)管道🌏和(he)摻混管(guan)路入口(kou)初始湍(tuan)流參數(shu)一緻，湍(tuan)流強度(du)爲🈲5%，湍流(liu)黏度比(bi)爲10。管道(dao)出口設(she)置爲壓(ya)力出口(kou)邊界條(tiao)件，出口(kou)回🌏流湍(tuan)流強度(du)爲5%，回流(liu)湍流💰黏(nian)度比爲(wei)10。水力直(zhi)徑爲0.1m。主(zhu)管道入(ru)口🧡氣體(ti)爲純甲(jia)烷，摻混(hun)管路入(ru)口氣體(ti)爲純氫(qing)氣。将初(chu)始内部(bu)工質設(she)爲100%甲烷(wan)後進行(hang)混合初(chu)始化，最(zui)後利用(yong)SIMPLEC算法進(jin)行計算(suan)求解。
2結(jie)果與分(fen)析
2.1不同(tong)匝數螺(luo)旋管的(de)氣體流(liu)動分析(xi)
　　在工程(cheng)實踐過(guo)程中對(dui)氣體的(de)摻混效(xiao)果進行(hang)評價🙇‍♀️時(shi)，一🔞般認(ren)定當摻(chan)混均勻(yun)度μ≥95%時，氣(qi)體在微(wei)觀.上已(yi)達到摻(chan)混均🌈勻(yun)叫☂️。如Kong等(deng)網以摻(chan)混均勻(yun)度μ是否(fou)≥95%，來判定(ding)✊現有天(tian)然氣管(guan)道中摻(chan)入氫氣(qi)是否摻(chan)混均勻(yun)。氣體在(zai)傳輸擴(kuo)散過程(cheng)中會改(gai)變氣❓體(ti)組分的(de)濃度分(fen)布，同時(shi)影響氣(qi)體流速(su)分布。甲(jia)烷和氫(qing)氣流經(jing)螺旋管(guan)摻混管(guan)路時，會(hui)受到強(qiang)烈二次(ci)流以及(ji)高濃度(du)差的影(ying)響，加速(su)🔱氣體擴(kuo)散，管路(lu)中的氣(qi)體最終(zhong)向摻混(hun)均🈲勻的(de)方向發(fa)展。如圖(tu)✏️2所示爲(wei)摻混管(guan)路(A，B，C，D)内🈚氣(qi)體摻混(hun)均勻度(du)與螺旋(xuan)管出口(kou)截面位(wei)置的關(guan)系。螺旋(xuan)管管✨路(lu)的氣體(ti)混合均(jun)勻性均(jun)随着管(guan)路匝數(shu)和摻混(hun)距離的(de)增加呈(cheng)現.上升(sheng)趨勢。螺(luo)旋管路(lu)的匝數(shu)越多，摻(chan)🔱混均勻(yun)所需的(de)摻混距(ju)離越短(duan)。摻混管(guan)路A和B分(fen)别在146D和(he)69D時實現(xian)氣體摻(chan)混均勻(yun)。而當選(xuan)⁉️用匝✔️數(shu)爲3圈的(de)摻混管(guan)路C時，在(zai)螺旋管(guan)⭐出口3D的(de)距離，摻(chan)混均勻(yun)度已經(jing)達到摻(chan)混均勻(yun)的要求(qiu)。由此可(ke)知，增加(jia)螺旋管(guan)的匝數(shu)可以非(fei)常有效(xiao)地縮短(duan)摻混距(ju)離，摻混(hun)🚩管路C的(de)效果已(yi)經非常(chang)好。若再(zai)增加🌈匝(za)數🔴到六(liu)螺旋(摻(chan)混管路(lu)D)已無實(shi)際意義(yi)，反而會(hui)導緻摻(chan)混均勻(yun)時的距(ju)💁離增加(jia)到15D。
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　　爲了(le)更清晰(xi)明了地(di)觀察天(tian)然氣摻(chan)氫混摻(chan)管路(A，B，C,D)的(de)摻混過(guo)程，以四(si)種摻混(hun)管路的(de)螺旋管(guan)出口爲(wei)起始點(dian)，每隔1D設(she)♋置一個(ge)監測截(jie)面。本文(wen)得到數(shu)據均是(shi)瞬态仿(pang)真的結(jie)果，在初(chu)始時刻(ke)氫氣摩(mo)爾分數(shu)爲0，表示(shi)氫氣還(hai)沒擴散(san)至指定(ding)位置。如(ru)圖3所示(shi)摻混裝(zhuang)置C爲最(zui)佳摻混(hun)模🏃‍♂️型，在(zai)15D截面處(chu)♻️，氫氣摩(mo)爾分數(shu)随注入(ru)時間，由(you)0到9.8%的變(bian)化過程(cheng)。氫氣流(liu)動👅擴散(san)1.03s後，初次(ci)達♈到摻(chan)混均勻(yun)時，在15D截(jie)面處瞬(shun)時氫氣(qi)摩爾分(fen)數爲3.9%。天(tian)然氣👉摻(chan)氫混摻(chan)管路A，B,C，D分(fen)别經過(guo)3.92s，2.19s，1.50s，2.03s後，氫氣(qi)的濃⛱️度(du)等于進(jin)口氫氣(qi)與甲烷(wan)的流量(liang)比(仿真(zhen)結📱果是(shi)取到9.8%)，表(biao)示氫氣(qi)已擴散(san)至指定(ding)位⁉️置，并(bing)達到穩(wen)态。圖4~圖(tu)7是天然(ran)氣摻氫(qing)混摻管(guan)路A、B、C、D分别(bie)在2.11s(146D截面(mian)處)、1.40s(69D截面(mian)處)、1.03s(15D截面(mian)處)、1.37s(15D截面(mian)處)時刻(ke)，摻混管(guan)路在不(bu)同距♈離(li)截面處(chu)的氫氣(qi)摩爾分(fen)數雲圖(tu)，與😍穩态(tai)時的摩(mo)爾分數(shu)不同。
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　　如(ru)圖4所示(shi)摻混管(guan)路A在螺(luo)旋管路(lu)出口處(chu)渦流作(zuo)用非常(chang)劇🏒烈💃🏻，其(qi)分層現(xian)象明顯(xian)。且不同(tong)于--般氫(qing)氣的上(shang)下分層(ceng)，摻混管(guan)路A中管(guan)道🐪中的(de)氫氣直(zhi)存在左(zuo)右分👨‍❤️‍👨層(ceng)，直至摻(chan)混距離(li)在140D~150D達到(dao)摻混均(jun)勻，此時(shi)氫氣摩(mo)爾分數(shu)均約爲(wei)0.8%。圖5所示(shi)摻混管(guan)路B的管(guan)路截面(mian)氫氣濃(nong)👉度分布(bu)變化💃規(gui)律與圖(tu)4相似，直(zhi)至摻混(hun)距離在(zai)65D~70D達到🔆摻(chan)混均勻(yun)，氫氣基(ji)本不再(zai)分層，此(ci)時氫氣(qi)摩爾分(fen)數均約(yue)爲1.9%。而圖(tu)6所示🤞的(de)摻混管(guan)路C在螺(luo)旋管道(dao)出口處(chu)就✊已經(jing)基本達(da)到摻🈲混(hun).均勻，氫(qing)氣已基(ji)本不存(cun)在分層(ceng)，此時氫(qing)氣摩爾(er)分數均(jun)約爲3.9%。相(xiang)比摻混(hun)管路C的(de)三匝螺(luo)旋管，圖(tu)7所示摻(chan)混管路(lu)D增加到(dao)六匝螺(luo)旋的摻(chan)混效果(guo)反而下(xia)降。螺旋(xuan)管道出(chu)口氫氣(qi)分層，直(zhi)至摻混(hun)15D時達到(dao)摻混均(jun)勻，氫氣(qi)不再分(fen)層，此時(shi)氫氣摩(mo)爾分數(shu)約爲🏃2.0%。
 
 
　　氣(qi)體摻混(hun)後速度(du)分布雲(yun)圖，如圖(tu)8所示，速(su)度變化(hua)受👨‍❤️‍👨匝數(shu)影📐響較(jiao)小。摻混(hun)管路A和(he)B均約在(zai)15D之後，摻(chan)混管路(lu)C約在10D之(zhi)後，速度(du)等高⚽線(xian)變得非(fei)常規則(ze)，越來越(yue)趨近于(yu)圓形，而(er)摻混🏃‍♀️管(guan)路D約在(zai)40D後能達(da)到同樣(yang)效果。此(ci)時這四(si)種類型(xing)摻混管(guan)路内的(de)氣體速(su)度已達(da)到充分(fen)穩流發(fa)展的狀(zhuang)态，之後(hou)基本不(bu)再發生(sheng)㊙️變化。流(liu)速分🏃🏻布(bu)很.合理(li)，距離🌈管(guan)道中心(xin)線越💔近(jin)其速度(du)越快，符(fu)合黏性(xing)定律🔞。
 
 
　　摻(chan)混管路(lu)(A，B，C，D)速度COV與(yu)截面位(wei)置的關(guan)系如圖(tu)9所示。随(sui)着截面(mian)㊙️位置🈲向(xiang)下遊移(yi)動，摻混(hun)管路(A，B,D)的(de)速度COV一(yi)直處于(yu)波動狀(zhuang)态，但皆(jie)👨‍❤️‍👨不超過(guo)15%。相比于(yu)A，B和D，摻混(hun)管路C内(nei)氣體速(su)度分布(bu)更爲均(jun)勻，其速(su)度COV-直穩(wen)定在5%左(zuo)右。綜合(he)考慮氣(qi)體摻混(hun)均勻度(du)💰μ和速度(du)COV,摻混管(guan)路C爲最(zui)佳摻混(hun)模型。
 
2.2單(dan)螺旋結(jie)合變徑(jing)管的氣(qi)體流動(dong)分析
　　如(ru)圖10所示(shi)爲摻混(hun)管路(E，F，G，H)的(de)管路内(nei)氣體摻(chan)混均勻(yun)度與截(jie)面位☔置(zhi)關系，摻(chan)混管路(lu)E，F，G，H是在單(dan)螺旋的(de)基礎上(shang)添加變(bian)徑管(膨(peng)脹管或(huo)收縮管(guan))，分别在(zai)136D，132D,107D，96D處時實(shi)現氣體(ti)摻混均(jun)勻。相比(bi)單螺旋(xuan)管的💯146D，在(zai)不同🔱位(wei)置添加(jia)任何變(bian)徑管均(jun)能在.不(bu)㊙️同程度(du).上📧實現(xian)縮短摻(chan)混距離(li)的效果(guo)。将變徑(jing)管置于(yu)單螺旋(xuan)管之前(qian)氣體初(chu)步摻㊙️混(hun)後再進(jin)入單螺(luo)旋管進(jin)一步摻(chan)混，明顯(xian)比置于(yu)單螺旋(xuan)管之後(hou)更能有(you)效地縮(suo)短摻混(hun)♋。而氣體(ti)進入收(shou)縮管内(nei)流動速(su)度會增(zeng)大，此時(shi)的擾動(dong)🔞更加劇(ju)烈，有助(zhu)于氣體(ti)摻混。針(zhen)對變徑(jing)管位📧置(zhi)及類型(xing)，摻混管(guan)路H(即前(qian)收縮.管(guan))的摻🛀混(hun)效果更(geng)好。
 
本組(zu)所得數(shu)據是瞬(shun)态仿真(zhen)的結果(guo)，在初始(shi)時
刻氫(qing)氣摩爾(er)分數爲(wei)0，表示氫(qing)氣還沒(mei)擴散至(zhi)指定位(wei)置。如圖(tu)11摻混🌈裝(zhuang)置H爲最(zui)佳摻混(hun)模型，在(zai)96D截面處(chu)，氫氣摩(mo)爾分數(shu)随注入(ru)時❤️間，由(you)0到9.8%的變(bian)化過程(cheng)。氫氣流(liu)動擴散(san)1.53s後，初次(ci)達到摻(chan)混❄️均勻(yun)時，在96D截(jie)面處瞬(shun)時氫氣(qi)‼️摩爾分(fen)數爲1.6%。天(tian)然氣摻(chan)氫混摻(chan)管路E，F，G，H

　　分(fen)别經過(guo)3.06s，2.95s，2.94s，2.48s後，氫氣(qi)的濃度(du)等于進(jin)口氫氣(qi)與甲烷(wan)的流🤟量(liang)🥵比(仿真(zhen)✨結果是(shi)取到9.5%)，表(biao)示氫氣(qi)已擴散(san)至指定(ding)位置，并(bing)達到穩(wen)态。圖12~圖(tu)15是🐪天然(ran)氣摻氫(qing)混摻管(guan)路E，F，G，H分别(bie)在1.91s、1.89s、1.69s、1.53s時刻(ke)，摻混管(guan)路在不(bu)同距離(li)截面處(chu)的氫氣(qi)摩爾分(fen)數雲圖(tu)，與穩态(tai)🌐時的摩(mo)爾分數(shu)不同。.
 
 
　　對(dui)比圖12~圖(tu)15，四種類(lei)型摻混(hun)管路的(de)管道截(jie)面氫氣(qi)濃度變(bian)化🥰規律(lü)很相似(si)。在螺旋(xuan)管道出(chu)口.處氫(qing)氣均存(cun)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻在明💯顯(xian)的左右(you)分層現(xian)象。但随(sui)着距離(li)的增加(jia)，最終㊙️均(jun)能達到(dao)摻混均(jun)勻，氫氣(qi)基本不(bu)再有分(fen)層的狀(zhuang)态。但不(bu)同類型(xing)管道達(da)到此狀(zhuang)态所需(xu)的距離(li)不一。如(ru)圖12所示(shi)摻混🈲管(guan)路E需約(yue)130D~140D的距離(li)才能達(da)到此狀(zhuang)态，此㊙️時(shi)氫氣摩(mo)爾分數(shu)約爲0.9%;圖(tu)13所示的(de)摻混管(guan)路F同樣(yang)需約130D~140D的(de)距離達(da)到此狀(zhuang)态，此♋時(shi)氫氣摩(mo)爾分數(shu)比摻混(hun)管路E略(lue)大，約爲(wei)1%;圖14所🈚示(shi)的摻混(hun)管路G需(xu)約✂️100D~110D的距(ju)離達到(dao)此狀态(tai)，此時氫(qing)氣摩爾(er)分數約(yue)爲1.2%;圖15所(suo)示的摻(chan)混🙇‍♀️管路(lu)H需約90D~100D的(de)距離達(da)到此狀(zhuang)态，此時(shi)氫氣🙇‍♀️摩(mo)爾分數(shu)✉️約爲1.6%。
氣(qi)體摻混(hun)後速度(du)分布雲(yun)圖如圖(tu)16所示。管(guan)道尺寸(cun)的變化(hua)☂️會導緻(zhi)内部的(de)氣體流(liu)動速度(du)突變，使(shi)得氣體(ti)速度穩(wen)定☔下來(lai)所需的(de)距🏃🏻‍♂️離更(geng)遠。摻混(hun)管路E，F，G，H均(jun)在約30D之(zhi)後，速🔞度(du)等高線(xian)形狀穩(wen)定下來(lai)，比單螺(luo)旋管(15D)的(de)截🈚面距(ju)離大一(yi)倍。
 

　　摻混(hun)管路(E，F，G，H)速(su)度COV與截(jie)面位置(zhi)的關系(xi)如圖17所(suo)示。初始(shi)截面位(wei)置時,摻(chan)混管路(lu)(E，H)的速度(du)COV最大，約(yue)爲17%。而随(sui)着截面(mian)位置向(xiang)管道的(de)下遊移(yi)動，這四(si)種類型(xing)的摻混(hun)管路的(de)速度COV均(jun)穩定在(zai)8%附近。雖(sui)然四種(zhong)類⭕型的(de)摻混管(guan)👄路最終(zhong)穩定時(shi)的COV差别(bie)很小，但(dan)👨‍❤️‍👨相比摻(chan)混管路(lu)(E，F，G),摻混管(guan)路(H)的速(su)度COV達到(dao)穩定時(shi)所需的(de)距離最(zui)短，僅需(xu)10D。故摻混(hun)管路H爲(wei)最佳摻(chan)混模型(xing)。
 
　　本文設(she)置爲10%的(de)摻混比(bi)，穩态仿(pang)真的時(shi)候，組分(fen)濃度㊙️隻(zhi)是依賴(lai)于進口(kou)流量比(bi)。但在瞬(shun)态仿真(zhen)的時候(hou)，組分濃(nong)度不🏃🏻‍♂️僅(jin)依賴于(yu)進口流(liu)量比，還(hai)跟流體(ti)的運動(dong)時間、狀(zhuang)态有關(guan)。瞬态計(ji)算中，發(fa)展階段(duan)😄變化屬(shu)于介質(zhi)置換過(guo)㊙️程(初始(shi)管内全(quan)部甲烷(wan))，詳細讨(tao)論各摻(chan)混管路(lu)的氫氣(qi)濃度演(yan)化的過(guo)程。而達(da)到💁穩定(ding)後，沿程(cheng)的變化(hua)特征🤞反(fan)🏃‍♂️映的是(shi)氫氣和(he)甲烷分(fen)層及其(qi)滑移🍓效(xiao)果，氫氣(qi)密度小(xiao)，相同截(jie)面間壓(ya)差會有(you)更大的(de)流動👣速(su)度，摩爾(er)濃度小(xiao)于進口(kou)流量直(zhi)接🔞計算(suan)值。通過(guo)對比在(zai)相🌈同截(jie)面位置(zhi)的摻混(hun)管路A氫(qing)濃度(圖(tu)👉4)對應💚速(su)度(圖8)以(yi)及摻混(hun)管路E的(de)氫濃度(du)(圖12)對應(ying)速度(圖(tu)16)分⛷️析可(ke)得:隻有(you)當二者(zhe)摻混🈲均(jun)勻後，氣(qi)體組分(fen)間相互(hu)作用，均(jun)質、同速(su)運動，進(jin)口流量(liang)直接計(ji)算的摩(mo)爾濃度(du)才與實(shi)際相符(fu)。計算結(jie)果氫氣(qi)摩爾濃(nong)💋度偏低(di)9.8%(入口設(she)置的10%)，正(zheng)反映了(le)⭐非均勻(yun)摻混狀(zhuang)态，甚至(zhi)明顯分(fen)層結構(gou)下，氫氣(qi)流速高(gao)過甲烷(wan)，存在明(ming)顯介質(zhi)間滑移(yi)現象這(zhe)個事實(shi)。也進一(yi)步證明(ming)摻混效(xiao)💯果對真(zhen)實速度(du)正确和(he)正确測(ce)量的必(bi)要性。
2.3适(shi)應性條(tiao)件
　　隻有(you)當混合(he)氣體摻(chan)混均勻(yun)，且管道(dao)内氣體(ti)流速已(yi)達到🏃‍♂️充(chong)分穩流(liu)的對稱(cheng)分布狀(zhuang)态時，才(cai)能保證(zheng)超聲波(bo)流量計(ji)計量的(de)正确率(lü)。因此，本(ben)文結合(he)不同結(jie)構的摻(chan)混管路(lu)仿真模(mo)拟結果(guo)，保證超(chao)聲流量(liang)計計量(liang)🐪正确率(lü)的推薦(jian)安裝位(wei)置如表(biao)2所示。由(you)表2可知(zhi)螺旋🔴管(guan)的匝數(shu)以及變(bian)徑管位(wei)置對流(liu)量計安(an)裝距離(li)的影響(xiang)最大。
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3結(jie)論
　　爲研(yan)究不同(tong)天然氣(qi)摻氫管(guan)路結構(gou)對超聲(sheng)波流量(liang)計安裝(zhuang)😄距離✨的(de)影響，本(ben)文針對(dui)不同匝(za)數螺旋(xuan)管路、單(dan)螺旋結(jie)合變徑(jing)管路進(jin)行CFD仿真(zhen)模拟，得(de)到氫氣(qi)摩爾分(fen)數雲圖(tu)以及反(fan)映其摻(chan)混均勻(yun)度的μ和(he)COV的變化(hua)規律，最(zui)終得到(dao)最佳摻(chan)混模型(xing)及超聲(sheng)波流量(liang)計安裝(zhuang)距離。具(ju)體内容(rong)如下。
(1)對(dui)于不同(tong)匝數螺(luo)旋管的(de)氣體流(liu)動分析(xi),在0~20D間μ的(de)變化最(zui)爲劇烈(lie)，即此時(shi)氣體擾(rao)動最爲(wei)劇烈，氣(qi)體摻混(hun)主要在(zai)這一範(fan)☔圍進行(hang)。一般螺(luo)旋的匝(za)數越多(duo)，超聲🍓流(liu)量計安(an)裝距離(li)越短。當(dang)增加到(dao)三螺旋(xuan)時僅需(xu)15D。此後再(zai)增加匝(za)數已無(wu)⛷️實際意(yi)義，增加(jia)到六螺(luo)旋時的(de)超聲流(liu)量計安(an)裝距離(li)仍爲15D。.
(2)對(dui)于單螺(luo)旋結合(he)變徑管(guan)的氣體(ti)流動分(fen)析，在0~25D間(jian)μ的變化(hua)最爲❄️劇(ju)烈，此範(fan)圍氣體(ti)摻混效(xiao)率更好(hao)。相比變(bian)㊙️徑管的(de)類型，其(qi)安裝位(wei)置✍️明顯(xian)對超聲(sheng)流量計(ji)安裝❤️距(ju)離影響(xiang)更大。同(tong)樣的膨(peng)脹管安(an)裝在前(qian)端(107D)比後(hou)端🚩(136D)所需(xu)的距離(li)少19D，同樣(yang)的收縮(suo)管安裝(zhuang)在前端(duan)(96D)比後端(duan)(136D)所需的(de)距離少(shao)26D。而同樣(yang)位置的(de)不同類(lei)型變徑(jing)管，其超(chao)聲流量(liang)計安裝(zhuang)距離差(cha)異性較(jiao)小。
(3)不同(tong)匝數螺(luo)旋管下(xia)，摻混裝(zhuang)置C爲最(zui)佳摻混(hun)模型，氫(qing)氣流🔞動(dong)擴散初(chu)次達到(dao)摻混均(jun)勻度μ時(shi)，在15D截面(mian)處瞬時(shi)氫氣摩(mo)爾分數(shu)爲3.9%;單螺(luo)旋管結(jie)合變徑(jing)管下，摻(chan)混管路(lu)H爲最佳(jia)摻💞混模(mo)型，氫氣(qi)流✨動擴(kuo)散🍉初次(ci)達到摻(chan)📞混均勻(yun)度🧑🏾‍🤝‍🧑🏼μ時，在(zai)96D截面處(chu)瞬時氫(qing)氣摩爾(er)分數爲(wei)1.6%。

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