摘(zhai)要：氫氣作爲全球(qiú)脫碳目标的重要(yao)載體，輸送量🤞是限(xian)💛制㊙️其大✔️規模應用(yòng)的主要瓶頸。摻氫(qīng)天然氣是實現大(dà)流量輸🤞送氫氣的(de)一種重要途徑。氫(qing)氣的摻入導緻流(liu)速畸變，降低超聲(shēng)波流量計✍️的性能(néng)。以摻入氫氣的甲(jiǎ)烷爲主要工質，對(duì)8種類型摻混管路(lù)内部的氣體流動(dong)狀态進行模拟仿(páng)真研究，分析流場(chǎng)🏃♀️内氣體速度和氫(qīng)氣濃度的分👅布狀(zhuàng)态;并對超聲波流(liu)量計
的适應性進(jin)行分析，确定其推(tuī)薦安裝位置。在超(chāo)聲🏃🏻♂️流量計🔞的适應(ying)性分析中，三匝螺(luo)旋管時僅需15D;對于(yu)🤞單螺旋結合變🏃♀️徑(jing)管的适應性影響(xiang)更大，最小需要96D。通(tong)過比較，摻混管路(lu)C爲最佳模型，摻混(hùn)均勻時的氫👨❤️👨氣摩(mo)爾分數約爲3.9%。可爲(wei)超聲波流量計在(zài)🐅摻氫天然氣正确(què)計量方面提供參(can)考。
溫室氣體排放(fang)量增加導緻全球(qiú)極端天氣頻發，碳(tan)🙇🏻中和戰略轉型全(quán)球勢在必行叫。從(cong)《巴黎協定》無碳未(wei)來⭐願景及碳中和(he)的全球目标網到(dao)我國碳達峰☂️、碳中(zhong)和的目标問，大規(gui)模氫氣輸送的綜(zong)合能源系統是實(shi)現這些目标💛的有(you)效途😍徑。可再生💔能(neng)源大力發展及氫(qīng)能👈技術與産業⚽飛(fēi)速發展爲氫氣輸(shū)送和應用的快速(su)發🔆展提供了條件(jian)📱間。預計到2050年，全球(qiú)可再生氫能💋能源(yuan)達到将近10°kW,全球氫(qing)能市值将達到10萬(wàn)億美元問。但氫能(neng)的生産地與使用(yong)地嚴重不匹配導(dǎo)緻氫能的發展受(shòu)限。相比傳💔統高壓(ya)瓶、低溫😄液化等物(wu)理儲運方式👈的小(xiao)輸送量、高成本、長(zhǎng)耗時7，管道輸送可(ke)實現長距離、大規(gui)🐅模、低成本氫氣輸(shū)送且供♊氣量持續(xu)穩定。基于現有天(tiān)然氣❄️管網設施的(de)優勢，将氫氣摻入(rù)天然氣管道輸送(sòng)是解決氫氣運輸(shū)的必然發展趨勢(shì)🌈閣。
氫氣的物理和(he)化學性質與天然(ran)氣有較大差異。氫(qing)氣摻入🏃🏻♂️天然氣改(gai)變管道内的氣體(ti)狀态引起溫度、壓(ya)力下降回，影響着(zhe)輸送系統計量裝(zhuang)置的正确率。因此(cǐ)，對摻氫天然氣管(guan)道輸送過程進行(hang)監測及計🍓量至關(guān)重要。超聲波氣體(tǐ)流量計具有壓損(sun)小、精度高、響應時(shi)間快和安全大等(děng)優點，在天然氣計(ji)量領域占據主導(dao)地💔1011。超聲波流量計(ji)針對混合氣體的(de)計量需保證氣體(tǐ)混合均勻及管道(dao)内流速穩定對稱(chēng)。
目前全球天然氣(qi)摻氫工業實踐項(xiang)目共有39個，輸送❓量(liang)高達2900噸/年間。2004年，歐(ōu)盟開始建設NaturalHy項目(mu)進行天然氣㊙️摻氫(qing)的應用研究，得到(dao)系統運行的最優(you)摻氫比爲20%則。2017年，英(ying)國能源供應公司(sī)開展“HyDeploy”天然氣摻氫(qīng)項目，在第一階段(duàn)工作證明利用現(xian)有✔️天然氣管道加(jiā)入20%氫🌍氣摩爾分數(shù)是可行的5。2018年，國内(nei)首個天然氣摻氫(qīng)示✨範項目研究呵(hē)，得到3%~20%之間的任意(yi)摻氫比。這些工業(yè)實踐項目爲大規(guī)模天然氣摻氫進(jìn)行管道輸送提供(gong)了正确的依據。由(yóu)❄️于摻氫天然氣屬(shǔ)于易燃易爆氣體(ti)，通常會先利用計(jì)算流體♌力學理論(lun)方法🤟對摻氫天然(ran)氣的流場💛進行分(fèn)♻️析，并對超聲波流(liú)量計在管道中的(de)适❤️應性進行數值(zhí)模拟。Chen等71對不同雷(léi)諾數下單右彎管(guǎn)和孔闆下遊的氫(qīng)☎️氣流動進行模拟(ni)分析。流量計✏️位置(zhì)越靠近擾動裝置(zhi)，其誤差越大，增加(jia)聲路數量可有效(xiao)減少誤差。Liu等18對管(guǎn)件連接處之後的(de)天然氣流動進行(hang)仿真分析，并給出(chū)了超聲波流量計(jì)安裝要求。邵欣等(děng)l9對🧑🏾🤝🧑🏼最常見的90°單彎(wān)🆚頭圓管過渡區甲(jiǎ)烷流場的流動機(ji)理進🎯行分析。基于(yu)此安裝㊙️整流器可(ke)有效改善管道内(nei)流場速度分布，縮(suō)短超聲波流量📧計(jì)的安裝位置。唐曉(xiao)宇等20對90°單彎管道(dao)内🔞空氣流動狀态(tai)進行☂️分析，随下遊(yóu)直管距離增加，超(chao)聲波氣體流量計(ji)的計量偏差逐漸(jian)減小。當管道内⭐流(liú)場分布非對稱時(shí)，會影🌈響超聲波計(jì)量效果。擾動👄越劇(ju)🤟烈，氣體摻混效果(guǒ)越好。國内外對🏃于(yu)利用超聲波流量(liàng)計進行摻氫天然(ran)氣計量的模拟仿(pang)真研究🌈主要集中(zhong)⛱️在改進聲道位置(zhi)、數量、設置整流器(qi)、旋流器等，從而縮(suō)短超聲波流量計(ji)的安裝位置。缺少(shao)對管路結構進行(hang)改進，本文♍通過計(jì)算流體動力學(computationalfluiddynamics,CFD)仿(páng)真手段，研究摻氣(qi)天然氣管道✊結構(gou)爲螺旋管(單螺旋(xuán)、雙螺旋、三螺旋、六(liù)螺旋)和單螺旋👈+變(bian)徑管(膨🈲脹管或收(shōu)縮管)内的氣體混(hùn)合規律及速度分(fen)布:并推薦了👨❤️👨超聲(shēng)波流量計在螺旋(xuan)管路的安裝位置(zhì)，爲超聲波流量計(ji)的正确計量提供(gòng)🏃♀️參考。
1摻氫天然氣(qi)管路模型
1.1數值仿(páng)真模型建立
爲研(yan)究管路結構對摻(chān)氫天然氣摻混狀(zhuàng)态影響，本✨文♍在單(dān)♊螺旋管摻混管路(lu)的基礎上，使用Design.modeler構(gou)建了8種摻混管路(lu)🔞的3維模型，如圖1所(suǒ)示。摻混管路分别(bie)爲不同匝數螺旋(xuan)管(單螺旋A型、雙螺(luo)旋B型、三🌈螺旋C型、六(liù)螺旋D型)和單螺旋(xuan)管路結合變徑管(guǎn)路(單螺✨旋+後膨脹(zhang)E型、單螺旋+後收縮(suō)F型、單螺旋+前膨脹(zhàng)G型、單螺旋+前收縮(suō)H型)。由于将🐆密度較(jiào)輕氫氣從底部充(chōng)入天然🌈氣管🎯路能(néng)取得較好的摻混(hùn)效果，因此設計從(cóng)管路底部充入天(tian)然氣。具體參📞數設(she)置爲:管路直徑D=100mm,甲(jia)烷入口❓直徑爲1D，氫(qīng)氣入口直徑爲0.5D，出(chū)口直徑爲1D,螺旋管(guǎn)曲率半徑爲2D。氫氣(qi)入口(支管軸線)距(jù)螺旋管起始截面(mian)長度爲3D，多匝螺旋(xuan)管螺距爲1.5D。膨脹管(guan)長度爲3D，膨脹管直(zhi)徑最🏃🏻大處爲.1.5D;收縮(suō)管長度爲3D，收縮管(guǎn)直徑最小處爲0.5D。爲(wei)使氣體充分摻混(hun)，将下遊管路總長(zhang)度🐉設置爲150D。在計算(suan)不同匝數螺旋管(guan)及單螺旋管路結(jié)合變徑管路結果(guo)時，定義的長度L是(shi)以螺旋.管終止截(jié)面爲起㊙️點。
1.2數學模(mo)型
氣體流動需滿(mǎn)足連續性方程、動(dòng)量守恒方程、能量(liàng)守🏃恒💔方程等❌基本(běn)控制方程。
天然氣(qì)和氫氣在摻混過(guò)程及在管道流動(dong)中的連💛續性方程(chéng)爲
式中，p爲流體微(wēi)元體上的壓力;u爲(wèi)速度矢量;Fx,和Fy爲微(wei)元體在x軸，y軸和z軸(zhou)方向上的力;Txx，Tyx，Tzx，Txy，Tyy，，Tzy:，Txz，Tyz，Tzz爲微(wei)元體表面的不同(tóng)黏性應力分量。
摻(chān)混過程及在管道(dao)流動中的能量守(shǒu)恒定律爲
式中，k爲(wei)流體傳熱系數，Cp爲(wèi)比熱容，T爲溫度，St爲(wei)流體内熱✌️源和因(yin)黏性作用流體機(jī)械能轉化爲熱能(neng)部分🆚。
天然氣與氫(qīng)氣摻混時需開啓(qi)組分運輸，此時管(guǎn)路中🏃♀️氣體的傳🌏播(bō)規律
其中，ρCw爲組分(fèn)w的質量濃度，Dw爲組(zǔ)分w擴散系數。
天然(rán)氣摻氫的過程中(zhōng)遵循理想氣體狀(zhuang)态方程。
由于摻混(hùn)過程中的氣體參(can)數(流量、壓力等)發(fa)生變化，會🔅導緻摻(chān)混氣體的密度、動(dòng)力黏度、狀态方程(chéng)參數等産生變化(hua)。具體表達😘式
其中(zhong)，Pop爲摻混氣體的工(gōng)作壓力，p爲相對于(yu)Pop的局部相♌對壓力(lì)🥰，R爲氣☎️體常數，T爲氣(qì)體溫度，Yi爲第i種氣(qì)體的質量分數，Mɷi爲(wei)第i種📐氣體.的分子(zi)質量。
其中，Um爲摻混(hun)氣體動力黏度，M爲(wèi)氣體種類數，出爲(wei)第i種氣體的摩爾(er)百分比，ui爲第i種氣(qì)體的動力黏度，Mi爲(wèi)第i種氣體的相對(duì)分子質量
本文以(yi)摻混均勻度u和速(sù)度變異系數(coffi-cientofvariation,COV)來評(ping)價混合程度，輸出(chu)不同數據采集線(xiàn)處氫氣濃度以及(ji)速度。
摻混均勻度(du)μ計算公式爲
其中(zhōng)，`a爲監測點氫氣濃(nóng)度測量值的平均(jun1)值，n爲取樣🔞截面内(nei)所設監測點總數(shù)，a;爲第i個監測點所(suǒ)得的氫氣濃度值(zhi)⚽。各截面内設置23個(ge)監測點進行摻混(hun)均勻🚶♀️度μ的統計計(ji)算。
速度COV計算公式(shì)爲
其中，σ爲标準偏(piān)差，`c爲監測點測量(liàng)值的平均值，ci爲第(dì)i個監測點所得的(de)氣體速度值。各截(jié)面内設置23個監測(ce)點進行🔞速度🏃♂️COV的統(tong)計計算。
1.3網格劃分(fen)
本文利用ANSYSWorkbench中的Mesh模(mó)塊，選用四邊形或(huò)三角形網格法對(duì)流體💛域進行網.格(ge)劃分。網格數量對(duì)Fluent仿真計算結果有(yǒu)至關重要的影響(xiang)。理論.上所采用的(de)特征尺寸網格越(yuè)小，得到的仿真結(jie)果越正确。但随着(zhe)網格數🏃🏻♂️量的增加(jiā)，對計算硬🏃♂️件資源(yuan)的👨❤️👨要求更高，而且(qiě)導緻計算時間延(yan)長，降低求解結果(guǒ)的收斂性。本文以(yǐ)摻📱混管路A，E爲代表(biǎo)，分析稀疏、中等、稠(chou)密三種網格特點(dian)對出口氫氣濃度(du)變化的㊙️影響，進行(hang)⭕網格無關性驗證(zhèng)。結果如表1所示，随(suí)網格數量增加，不(bú)同網格特點♈出口(kou)處氫氣摩爾分數(shù)🚶♀️波動很🧑🏾🤝🧑🏼小。綜合網(wǎng)格平均偏斜系數(shu)和網格平均質量(liàng)系數分析，三種💁網(wang)格特點🌂下的網格(ge)質量均滿足模型(xíng)需求，可以忽略網(wang)格對仿真計算結(jie)果精度的影響。
基(jī)于上述無關性分(fen)析，本文選用中等(deng)特點的網格。網🏃♂️格(ge)尺寸爲10mm,單元數爲(wèi)1220492個，節點數爲240017個。最(zuì)終網格平均偏💋斜(xie)系數爲0.20,标準偏差(chà)❗爲0.11。偏斜系數在0~1範(fan)圍内，越接近0網格(ge)質量🎯越優秀。網格(gé)平均質量🚩系數爲(wèi)0.85，标準偏差爲0.09。質量(liang)系數在0~1範圍内，越(yue)接近1網格質量越(yue)高，網格質量滿🌂足(zu)模型需求。
1.4邊界條(tiáo)件設定
湍流模型(xing)選用最具有适用(yong)性的标準k-ε模型,适(shi)用氣體摻混計算(suan)，在減小計算量的(de)同時保證了計算(suan)精度。在操作條件(jiàn)中設定溫度爲300K,重(zhòng)力沿y軸負方向爲(wèi)9.8m/s2。管道入口均設置(zhì)爲速度進口邊界(jiè)條件，主管道入口(kǒu)速度爲6.75m/s(流量:190.8m3/h)，摻混(hun)👈管道入口速度爲(wei)3m/s(流🔴量:21.2m3/h);主管道⛷️和摻(chān)混管路入口初始(shi)湍流參數一緻，湍(tuān)流強度爲🤞5%，湍流黏(nian)度比爲10。管道出口(kǒu)設置爲壓力出口(kou)邊♍界條件，出口回(hui)流湍流強度爲👈5%，回(hui)流湍流💞黏度比爲(wei)10。水力直徑爲0.1m。主管(guan)道入口氣體爲純(chun)甲烷，摻混管路入(ru)口氣體爲純氫氣(qi)。将初始内部工📞質(zhì)設爲100%甲烷後進行(hang)混合初始化，最後(hou)利用SIMPLEC算⛷️法進行計(jì)算求解。
2結果與分(fèn)析
2.1不同匝數螺旋(xuán)管的氣體流動分(fen)析
在工程實踐過(guò)程中對氣體的摻(chān)混效果進行評價(jia)時♻️，一般認定當摻(chan)混均勻度μ≥95%時，氣體(tǐ)在微觀.上已達✨到(dao)摻混均💚勻叫。如Kong等(děng)網以摻混均勻度(dù)μ是否≥95%，來判定現有(you)天然氣管道中摻(chan)入氫氣是否摻🈚混(hùn)均勻。氣體在傳輸(shū)擴散過程中會改(gǎi)變氣體組分的🚩濃(nóng)度分布，同時影響(xiang)氣體流速分布。甲(jiǎ)烷和氫氣流經螺(luó)旋管摻混管路時(shí)，會受到強烈二次(ci)流以及高濃度差(cha)的影響，加速氣體(ti)擴散，管路⚽中的氣(qì)體最終向摻混均(jun1)勻的方向發展。如(rú)圖2所示爲摻混管(guan)路(A，B，C，D)内氣體摻混均(jun1)勻度與💋螺旋管出(chu)口截面位置的關(guān)系。螺旋管管⭐路的(de)氣體混合均勻性(xing)均随着管路匝數(shu)🏃♂️和摻混距😍離的增(zeng)加呈現.上升趨勢(shi)。螺旋管路的匝數(shu)越多，摻🔅混均勻所(suo)需的摻混距離越(yuè)短。摻✂️混管路A和B分(fen)别在146D和69D時實現氣(qi)體摻混均勻。而當(dāng)選用匝數爲3圈的(de)摻混管路C時，在螺(luó)😘旋管出口3D的距離(li)，摻混均勻度已經(jing)達到摻混均勻的(de)要求。由此可知，增(zēng)加螺旋管的匝⭐數(shù)可以非常🔴有效地(di)縮短摻混距離，摻(chān)混🌈管路C的效果已(yǐ)經非常好。若再增(zēng)加🐉匝數到六螺旋(xuan)(摻✌️混管路D)已無實(shí)際意義，反而會導(dao)緻摻混均勻時的(de)距離增加到15D。
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爲了(le)更清晰明了地觀(guan)察天然氣摻氫混(hun)摻管路(A，B，C,D)的摻混過(guò)🔴程，以四種摻混管(guǎn)路的螺旋管出口(kǒu)爲起始點，每隔1D設(shè)置一個監測截面(miàn)。本文得到數據均(jun)是瞬态仿真🏃🏻♂️的結(jié)果，在初始時刻氫(qīng)氣摩爾🤩分數爲0，表(biǎo)示氫氣還沒擴散(sàn)至指定位置。如圖(tú)3所示摻🤟混裝置C爲(wei)⭕最佳摻混模型，在(zai)15D截面處，氫氣摩爾(er)分數随注入時🔴間(jian)，由0到9.8%的變化🏃過程(cheng)。氫氣流動擴散1.03s後(hou)，初次達到摻混均(jun1)勻時，在15D截面處瞬(shun)時氫氣摩爾分數(shu)爲3.9%。天然氣♋摻🌐氫混(hun)摻管路A，B,C，D分别♊經過(guo)3.92s，2.19s，1.50s，2.03s後，氫氣的濃度等(deng)于進口氫氣與甲(jiǎ)烷的流量比(仿真(zhen)結果是取到9.8%)，表示(shì)氫氣😘已擴散至指(zhǐ)定位☎️置，并達到穩(wen)态。圖4~圖7是天然氣(qì)摻氫混摻管路A、B、C、D分(fèn)别在2.11s(146D截面處)、1.40s(69D截面(mian)處)、1.03s(15D截面處)、1.37s(15D截面處(chu))時刻🏃，摻混管路在(zài)不同距🔞離截面處(chu)的氫氣摩爾分數(shù)雲圖，與穩态時的(de)摩爾分數不同。
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如(ru)圖4所示摻混管路(lù)A在螺旋管路出口(kǒu)處渦流作用非常(cháng)劇烈，其分層現象(xiàng)明顯。且不同于--般(ban)氫氣的上下分層(céng)，摻混管路A中管道(dào)中的氫氣直存在(zài)左右分層，直至摻(chan)混距離在140D~150D達🌈到摻(chan)混均勻，此時氫氣(qi)摩爾分數均約爲(wei)0.8%。圖5所示🧑🏽🤝🧑🏻摻混管路(lù)B的管路截面氫氣(qi)濃度分布變化⛱️規(gui)律與圖4相🌈似，直至(zhi)摻混💁距離在65D~70D達到(dào)摻混均勻，氫氣基(ji)本不再分層，此時(shí)氫氣摩爾分數😄均(jun1)約爲1.9%。而圖6所示的(de)摻混管路C在螺旋(xuan)管道出口處就已(yǐ)經基本達到摻混(hun).均勻，氫氣已基本(ben)🌈不存在分層，此時(shi)氫🌍氣摩爾分數均(jun1)約爲3.9%。相比摻混管(guǎn)路C的三📧匝螺旋管(guan)，圖7所示摻混管路(lu)D增加到六匝螺旋(xuan)的摻混效果反而(er)下降。螺旋管道出(chū)口氫氣分層，直至(zhi)摻🈲混15D時達到摻混(hùn)均勻，氫氣不再分(fèn)層，此時氫氣摩爾(er)分數約爲💯2.0%。
氣體摻(chān)混後速度分布雲(yún)圖，如圖8所示，速度(dù)變化受匝數影響(xiang)較小。摻混管路A和(hé)B均約在15D之後，摻混(hun)管路C約在10D之後，速(su)度等高線變得非(fēi)常規則，越來越趨(qu)近于圓形，而摻混(hun)管路D約在40D後能達(dá)到同樣效果。此時(shí)這四種類型摻混(hùn)管路内的氣體速(sù)度已達到充分穩(wen)流發展的狀态，之(zhī)後基本不再發生(shēng)變化。流速分布很(hěn).合理，距離管道中(zhōng)心線越近其速度(dù)越快，符合黏性定(ding)律。
摻混管路(A，B，C，D)速度(du)COV與截面位置的關(guān)系如圖9所示。随着(zhe)😍截面位置向🏃下遊(yóu)移動，摻混管路(A，B,D)的(de)速度COV一直處于波(bo)動狀态，但皆不超(chao)過15%。相比于A，B和D，摻混(hùn)管路C内氣體速度(dù)分布更爲均勻，其(qí)速度COV-直⭐穩定在5%左(zuǒ)右。綜合考慮氣體(ti)摻混均勻度μ和速(su)度COV,摻混管路C爲最(zuì)佳摻混模型。
2.2單螺(luo)旋結合變徑管的(de)氣體流動分析
如(rú)圖10所示爲摻混管(guan)路(E，F，G，H)的管路内氣體(ti)摻混均勻度與截(jié)面位置關系，摻混(hùn)管路E，F，G，H是在單螺旋(xuan)的基礎上添加變(biàn)徑管(膨💞脹管💘或收(shou)縮管)，分别在136D，132D,107D，96D處時(shí)實現氣📐體摻混均(jun)勻。相比單螺旋管(guǎn)的146D，在不同位置添(tiān)加任🔴何變徑管均(jun1)能在.不同程度.上(shàng)實現縮短摻混距(ju)離的效果。将變徑(jing)管置于單螺旋管(guan)之前氣體初步摻(chan)混後再進入☎️單螺(luó)旋管進一步摻混(hun)，明顯比置于單螺(luó)旋管之後更能有(yǒu)效地縮短摻混🍉。而(ér)氣體進入收縮🐆管(guan)内流動速度會增(zēng)大，此時的擾動更(gèng)加劇烈，有💘助于氣(qì)體🌍摻混。針對變徑(jìng)管位置及類型，摻(chan)混管路H(即前收縮(suō).管)的摻混效果更(geng)好。
本組所得數據(ju)是瞬态仿真的結(jie)果，在初始時
刻氫(qing)氣摩爾分數爲0，表(biǎo)示氫氣還沒擴散(sàn)至指定位置。如圖(tú)11摻混裝置H爲最佳(jiā)摻混模型，在96D截面(mian)處，氫氣摩爾分數(shù)随注入時💜間，由🈲0到(dào)9.8%的變化過程。氫氣(qi)流動擴散1.53s後，初次(cì)達到摻混均勻時(shí)，在96D截面處瞬時氫(qing)氣摩爾分數爲1.6%。天(tian)然氣摻氫混摻管(guan)路E，F，G，H
分别經過3.06s，2.95s，2.94s，2.48s後，氫(qīng)氣的濃度等于進(jin)口氫氣與甲烷的(de)流量🏃♂️比(仿真結果(guo)是取到9.5%)，表示氫氣(qì)已擴散至指定位(wèi)置，并達到穩态。圖(tu)12~圖15是天然氣摻氫(qīng)混摻管路E，F，G，H分别在(zài)1.91s、1.89s、1.69s、1.53s時刻，摻混管路在(zai)不同距離截面處(chu)的氫氣摩爾分數(shù)雲圖，與穩态時的(de)摩爾分數不同。.
對(duì)比圖12~圖15，四種類型(xing)摻混管路的管道(dao)截面氫氣濃度👅變(bian)化規律很相似。在(zai)螺旋管道出口.處(chù)氫氣均存在明顯(xian)的左右分層現象(xiang)。但随着距離的增(zeng)加，最終均能達到(dào)摻混均勻，氫氣基(ji)本不再有分層的(de)狀态。但不同類型(xíng)管道達到此狀态(tài)所需的距離不一(yi)。如圖12所示摻混管(guǎn)路E需約130D~140D的距離才(cái)能達到此狀态，此(ci)時氫氣摩爾分數(shù)約爲0.9%;圖13所示的摻(chān)混管路F同🌈樣需約(yue)130D~140D的距離☔達到此狀(zhuàng)态，此時氫氣摩爾(er)分數比摻混管路(lu)E略大，約爲1%;圖14所🏃♂️示(shì)的摻混管路G需🐆約(yue)100D~110D的距離達到此狀(zhuàng)态，此時氫氣摩🌂爾(ěr)分數約爲1.2%;圖15所示(shi)的🏃♂️摻混⛱️管路H需約(yuē)90D~100D的距離達到此狀(zhuàng)态，此時氫氣摩爾(ěr)分數約爲1.6%。
氣體摻(chan)混後速度分布雲(yun)圖如圖16所示。管道(dào)尺寸的變化會🌈導(dǎo)緻内部的氣體流(liu)動速度突變，使得(de)氣體速度✊穩定下(xià)來🧡所需的距離更(gèng)遠。摻混管路E，F，G，H均在(zài)約30D之後，速度等高(gao)線形狀穩定下👨❤️👨來(lai)，比單✂️螺旋管(15D)的截(jié)☎️面距離大一倍。
摻(chān)混管路(E，F，G，H)速度COV與截(jié)面位置的關系如(rú)圖17所示。初始截面(mian)位置📐時,摻混管路(lù)(E，H)的速度COV最大，約爲(wèi)17%。而随着截面位置(zhi)向管道的下遊移(yí)動，這四種類型的(de)摻混管路的速度(dù)COV均穩定在8%附近。雖(suī)然四種類型的摻(chān)混管路最終穩定(ding)時的COV差别很小，但(dàn)相比摻混管路(E，F，G),摻(chān)混❓管路(H)的速度COV達(dá)到穩定時所需的(de)距離最短，僅需10D。故(gù)☀️摻混管路H爲最佳(jia)摻混模型。
本文設(shè)置爲10%的摻混比，穩(wen)态仿真的時候，組(zu)分濃度隻是依賴(lài)于進口流量比。但(dan)在瞬态仿真的時(shí)候，組⁉️分濃度不僅(jin)依賴于進口💯流量(liàng)比，還跟流體的運(yun)動時間、狀态有關(guān)。瞬态計算中，發展(zhan)階段變化屬于介(jiè)質置換過程(初始(shi)管🏃🏻内全部甲烷)，詳(xiáng)細讨❓論各摻混❤️管(guǎn)路的氫氣♍濃度演(yǎn)化的過程。而達到(dào)穩定後，沿程的變(biàn)化特征反映的是(shi)氫氣和⭕甲烷分層(ceng)及其滑移效果，氫(qing)氣👉密度小，相同截(jié)面間壓差會有更(geng)大的流動速度，摩(mó)爾濃度小㊙️于進口(kǒu)流量直接計🏒算值(zhí)。通過對比在相同(tóng)截面位置的摻混(hun)管路A氫濃度(圖4)對(dui)應速度(圖8)以及摻(chān)混管路E的氫濃度(dù)(圖12)對應速度(圖16)分(fen)析可得:隻有當二(èr)者摻混均勻後，氣(qi)體組分間相互作(zuo)用，均質、同速運動(dong)，進口流量直🔴接計(jì)算的摩爾濃度才(cái)與實際相符。計算(suàn)結果氫氣摩爾濃(nong)度偏低9.8%(入🐕口設置(zhì)的10%)，正反映了非均(jun)勻摻混狀态，甚至(zhi)明顯分層結構下(xia)，氫氣流速高過甲(jia)烷，存在明顯介質(zhi)間滑移現象這個(gè)事實。也進一步證(zhèng)明摻混效果對真(zhen)實速度正确和正(zheng)确測量的必要性(xìng)。
2.3适應性條件
隻有(you)當混合氣體摻混(hun)均勻，且管道内氣(qì)體流速已達到充(chong)分🌈穩❄️流的對稱分(fen)布狀态時，才能保(bao)證超聲波流量計(jì)計量的正确率👅。因(yin)此，本文結合不同(tong)結構的摻混管路(lù)仿真模拟結果，保(bǎo)證超聲🐪流量計計(jì)量正确率的推薦(jian)安裝位置如表2所(suǒ)示。由表2可知螺旋(xuan)管的匝數以及變(bian)徑管位置對流量(liang)計安裝距離的❗影(yǐng)響最大。
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3結論
爲研(yan)究不同天然氣摻(chān)氫管路結構對超(chao)聲波流量計安裝(zhuāng)距離的影響，本文(wén)針對不同匝數螺(luo)旋管路、單螺旋結(jie)合變徑管路進行(háng)CFD仿真模拟，得到氫(qing)氣摩爾分數雲圖(tu)以及反映其摻混(hùn)均勻度的μ和COV的變(bian)化規律，最終💔得到(dào)最佳摻混模型及(ji)超聲波流量計安(an)裝距離。具體内容(rong)如下。
(1)對于不同匝(za)數螺旋管的氣體(ti)流動分析,在0~20D間μ的(de)變化最爲劇烈，即(ji)此時氣體擾動最(zui)爲劇烈，氣體摻混(hun)📞主要在這一範圍(wéi)進行。一般螺旋的(de)匝數越多，超聲流(liu)量計安裝距離越(yuè)短。當增加到三螺(luó)旋時僅需15D。此🌂後再(zài)增加匝數已無👌實(shí)際意義，增加到六(liù)螺旋時的超聲流(liu)量計安裝距離仍(reng)爲15D。.
(2)對于單螺旋結(jié)合變徑管的氣體(tǐ)流動分析，在0~25D間μ的(de)變化最爲㊙️劇烈，此(cǐ)範圍氣體摻混效(xiào)率更好。相比變徑(jìng)管的類型，其安裝(zhuang)位置明顯對超聲(shēng)流量計安裝距離(lí)影響更大。同樣的(de)膨脹管🔞安裝在前(qián)端(107D)比後端(136D)所需的(de)距離少19D，同樣的收(shou)縮管安裝在前端(duan)(96D)比後端🏃🏻♂️(136D)所需的距(jù)離少26D。而同樣位置(zhi)的不同類📱型變徑(jìng)管，其🏒超聲流量計(ji)安裝距離差異性(xing)較小。
(3)不同匝數螺(luo)旋管下，摻混裝置(zhi)C爲最佳摻混模型(xíng)，氫氣流⛹🏻♀️動擴散初(chu)次達到摻混均勻(yún)度μ時，在15D截面處瞬(shùn)時氫氣摩📐爾分數(shù)爲3.9%;單螺旋管結合(he)變徑管下，摻混管(guan)路H爲最佳摻♋混模(mó)型，氫氣流🔞動擴散(sàn)🙇🏻初次達到摻混均(jun)勻度📧μ時，在96D截面處(chu)瞬時氫氣摩爾分(fèn)數爲1.6%。
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