摘要：氫氣作(zuo)爲全球脫碳(tan)目标的重要(yao)載體，輸送量(liang)是💋限制其大(dà)規模應用的(de)主要瓶頸。摻(chan)氫天然氣是(shì)實現大流量(liang)輸送氫氣的(de)一種重要途(tu)徑。氫氣的摻(chān)‼️入導緻流速(sù)畸變，降低超(chāo)聲波流量計(ji)的性能。以摻(chan)👈入氫氣的甲(jia)烷爲主要工(gōng)質，對8種類型(xing)摻混管路内(nèi)部的氣體流(liú)動狀态進行(hang)模拟仿真研(yán)究，分析流場(chǎng)内氣體速度(dù)和氫氣濃度(du)的分布狀态(tài);并對超聲波(bo)流量計 的适(shi)應性進行分(fen)析，确定其推(tuī)薦安裝位置(zhì)。在超聲流量(liàng)計的适應性(xing)分析中，三匝(za)螺旋管時僅(jin)需15D;對于單螺(luo)旋結合變徑(jìng)管的适應性(xìng)影響更大，最(zuì)小需要96D。通過(guo)比較，摻混管(guǎn)路C爲最佳模(mó)型，摻混均勻(yún)時的氫氣摩(mó)爾分數約爲(wei)3.9%。可爲超聲波(bo)流量計在摻(chān)氫天然💘氣正(zheng)确計量方面(mian)提供參考。
　　溫(wen)室氣體排放(fang)量增加導緻(zhi)全球極端天(tiān)氣頻發，碳中(zhong)和戰略轉型(xing)全球勢在必(bì)行叫。從《巴黎(lí)協定》無碳未(wèi)來願景及碳(tàn)中和的全球(qiú)目标網到我(wo)國碳達峰、碳(tàn)中和的目标(biāo)問，大規模氫(qing)氣輸送的綜(zong)合能源系統(tong)是實現這些(xie)目标✂️的有效(xiao)途😍徑。可再生(shēng)🔞能源大力發(fā)展及氫能技(ji)術與産業飛(fei)速發展爲氫(qing)氣輸送和應(yīng)用的快速發(fa)💃🏻展提供了條(tiáo)件間。預計到(dào)2050年，全🏃🏻‍♂️球可再(zài)生氫能能源(yuán)達到将近10°kW,全(quán)球氫能市值(zhi)将達到10萬億(yì)美元問。但氫(qing)能的生産地(di)與使用地嚴(yán)重不匹配🏃導(dǎo)緻氫能☂️的發(fa)展受限⚽。相比(bǐ)傳統高壓瓶(ping)、低溫液化等(deng)物理儲運方(fang)式的小輸🌍送(song)量、高成本、長(zhǎng)耗時7，管道輸(shū)送可實現長(zhang)距離、大規模(mo)☎️、低成本氫氣(qi)輸送且供氣(qi)量😄持續穩定(ding)。基于現有天(tiān)然氣管網設(she)施的優勢，将(jiāng)氫氣摻🤟入天(tiān)然氣管道輸(shu)送是解決氫(qīng)☂️氣運輸的必(bi)然發展趨勢(shì)🔅閣。
　　氫氣的物(wu)理和化學性(xìng)質與天然氣(qì)有較大差異(yi)。氫氣摻入天(tiān)♻️然氣改變管(guan)道内的氣體(tǐ)狀态引起溫(wēn)度、壓力下降(jiàng)😍回，影響着輸(shu)送系統計量(liàng)裝置的正确(que)率。因此，對摻(chān)氫天然氣管(guǎn)道輸送過程(chéng)進行監測及(jí)計量至關重(zhòng)要。超聲波✨氣(qì)體流量計具(ju)有壓損小、精(jīng)度😍高、響應時(shí)間快和安全(quan)大等優點，在(zài)天然氣計量(liang)領域占據主(zhǔ)導地🐆1011。超聲波(bo)流量計針對(duì)混合氣體的(de)計量需保證(zheng)氣體混合均(jun)勻🌍及管道内(nèi)流速穩定對(dui)稱。
　　目前全球(qiú)天然氣摻氫(qing)工業實踐項(xiang)目共有39個，輸(shu)送量高達2900噸(dūn)/年間。2004年，歐盟(méng)開始建設NaturalHy項(xiàng)目進行天然(ran)氣摻氫的應(yīng)用研究，得到(dào)系❓統運行的(de)最優摻氫比(bi)爲20%則。2017年，英國(guó)能源供應公(gong)司開展“HyDeploy”天然(rán)氣摻氫項目(mù)，在第一階段(duan)工作證明利(li)用現有天然(ran)氣管道加入(ru)20%氫氣摩爾分(fen)數是可行的(de)5。2018年👅，國内首個(ge)天然氣摻氫(qing)示範項目研(yán)究呵，得到3%~20%之(zhi)間的任意摻(chan)氫比。這些工(gōng)業✔️實踐項目(mù)🛀爲大規🈲模天(tiān)然💯氣摻氫進(jìn)行管道輸送(song)提供了正确(què)的依據。由于(yu)摻氫天然氣(qi)屬于易燃易(yi)爆👄氣體，通常(chang)會先利用計(jì)算流體力學(xue)理論方法對(dui)摻氫天然氣(qì)的流場⭐進行(hang)分析，并對超(chāo)聲波流量計(jì)在管道中的(de)适應性進行(háng)數值模拟。Chen等(děng)71對不同雷諾(nuo)數‼️下單右彎(wan)管和孔闆下(xià)遊的氫氣流(liú)動進行模拟(ni)分析。流量計(ji)位置越靠近(jin)擾動裝置🈲，其(qi)誤差♈越大，增(zēng)加聲路數量(liang)可有效減少(shao)誤差。Liu等18對管(guan)件連接處之(zhī)後的天然氣(qì)流動進行仿(pang)真分析，并給(gei)出了超聲波(bō)流🏃🏻量計㊙️安裝(zhuang)要求。邵欣等(děng)l9對最常見的(de)90°單彎頭圓管(guǎn)過渡區甲烷(wán)流場的流動(dòng)機理進行分(fèn)析。基于🚶‍♀️此安(ān)裝整流器可(kě)有效改善管(guan)道内流場速(su)度分布，縮短(duǎn)超聲波流量(liang)💰計的安裝位(wèi)置。唐曉宇等(děng)20對90°單㊙️彎管道(dao)内空氣流動(dong)狀态進行分(fèn)析，随下遊直(zhí)管距離增加(jiā)，超聲波氣體(tǐ)流♍量計的計(ji)量偏差逐漸(jiàn)減小。當管道(dào)内流⛷️場分布(bu)非對稱時，會(hui)影響超聲波(bō)計量效果。擾(rao)動越劇烈，氣(qì)體摻混效果(guǒ)越好。國内外(wai)對于利用超(chao)聲波流量計(jì)進行摻氫天(tian)然氣計量的(de)模拟仿真研(yan)究主要集中(zhōng)在改進聲道(dao)位置、數量、設(shè)置整流器、旋(xuan)流器等，從而(ér)縮👌短超聲波(bō)流量計的安(an)裝位置。缺少(shao)對管路結構(gou)進行改進，本(běn)文通過計算(suàn)流體動力學(xué)(computationalfluiddynamics,CFD)仿真手段，研(yán)究摻氣天然(ran)氣管道結構(gòu)爲♍螺旋管(單(dan)螺旋、雙螺旋(xuán)、三螺旋、六💚螺(luo)旋)和單螺旋(xuan)+變徑管(膨脹(zhàng)管或收縮管(guan))内的氣體混(hun)合規律及速(su)度分布:并推(tui)薦了超聲波(bō)⭕流量計在螺(luo)旋💯管路的安(ān)裝位置，爲💛超(chao)聲🛀🏻波流量計(jì)的正确計量(liang)提供參考。
1摻(chān)氫天然氣管(guǎn)路模型
1.1數值(zhi)仿真模型建(jian)立
　　爲研究管(guǎn)路結構對摻(chān)氫天然氣摻(chān)混狀态影響(xiǎng)，本文在單👌螺(luo)旋管摻混管(guǎn)路的基礎上(shàng)，使用Design.modeler構建了(le)8種摻混管路(lù)的3維模型，如(ru)圖💋1所示。摻混(hun)管路分别爲(wèi)不同匝數螺(luo)旋管(單螺旋(xuán)🔆A型、雙螺旋B型(xing)、三螺旋C型、六(liu)螺旋D型)和單(dan)螺旋管路結(jie)合變徑管路(lu)(單螺旋+後膨(péng)脹💜E型、單螺旋(xuán)+後收縮F型、單(dan)螺旋+前膨脹(zhàng)G型、單螺旋+前(qián)收👌縮H型)。由于(yú)将密度較輕(qing)氫氣從🧡底部(bu)充入天然氣(qi)管路能取得(dé)🐅較好的摻混(hun)效果，因此設(shè)計從管路底(dǐ)部充入天然(ran)氣。具體參數(shù)設置爲:管路(lu)直徑✊D=100mm,甲烷入(rù)口直徑爲1D，氫(qīng)✨氣入口直徑(jing)爲0.5D，出口直徑(jìng)爲1D,螺旋管曲(qǔ)率半徑爲2D。氫(qīng)氣入口(支管(guan)軸線)距螺旋(xuán)管起始截面(miàn)長度爲3D，多匝(za)螺㊙️旋管螺距(ju)爲1.5D。膨脹管長(zhang)度爲3D，膨脹管(guǎn)直✏️徑最大處(chu)爲.1.5D;收縮管長(zhang)度✌️爲3D，收縮管(guan)直徑最小處(chu)爲0.5D。爲使氣體(tǐ)🔞充分摻混，将(jiāng)下遊管路總(zǒng)長度設置爲(wèi)150D。在計算不同(tong)匝數螺旋管(guǎn)及單螺旋管(guan)‼️路結合變徑(jìng)管路結果時(shi)，定義的長度(du)L是以螺旋.管(guan)終🏒止截面爲(wèi)起👉點。
 
1.2數學模(mo)型
　　氣體流動(dong)需滿足連續(xù)性方程、動量(liàng)守恒方程、能(neng)量守恒方💛程(chéng)等基本控制(zhi)方程。
　　天然氣(qì)和氫氣在摻(chan)混過程及在(zài)管道流動中(zhōng)的連續性📞方(fāng)程爲
 
　　式中，p爲(wei)流體微元體(ti)上的壓力;u爲(wèi)速度矢量;Fx,和(he)Fy爲微元體在(zài)🐪x軸，y軸和z軸方(fāng)向上的力;Txx，Tyx，Tzx，Txy，Tyy，，Tzy:，Txz，Tyz，Tzz爲(wèi)微元體表面(miàn)的不同黏性(xing)應力分量。
　　摻(chan)混過程及在(zai)管道流動中(zhong)的能量守恒(heng)定律爲
 
　　式中(zhong)，k爲流體傳熱(rè)系數，Cp爲比熱(rè)容，T爲溫度，St爲(wei)流體内熱源(yuan)和因黏性作(zuò)用流體機械(xie)能轉化爲熱(re)能部分。
　　天然(ran)氣與氫氣摻(chān)混時需開啓(qi)組分運輸，此(ci)時管路中⚽氣(qi)體的傳播規(gui)律
 
　　其中，ρCw爲組(zu)分w的質量濃(nóng)度，Dw爲組分w擴(kuo)散系數。
　　天然(ran)氣摻氫的過(guo)程中遵循理(li)想氣體狀态(tài)方程。
　　由于摻(chān)混過程中的(de)氣體參數(流(liú)量、壓力等)發(fā)生變化⛷️，會導(dao)緻摻混氣體(ti)的密度、動力(li)黏度、狀态方(fang)程參數等⭕産(chan)生變化。具體(tǐ)表達⭕式
 
　　其中(zhong)，Pop爲摻混氣體(ti)的工作壓力(li)，p爲相對于Pop的(de)局部相🥵對壓(yā)力，R爲✉️氣💰體常(cháng)數，T爲氣體溫(wen)度，Yi爲第i種氣(qi)體的質量分(fen)數，Mɷi爲第i種氣(qì)體.的分子質(zhi)量。
 
　　其中，Um爲摻(chān)混氣體動力(li)黏度，M爲氣體(tǐ)種類數，出爲(wei)第👨‍❤️‍👨i種氣體的(de)摩爾百分比(bǐ)，ui爲第i種氣體(ti)的動力黏度(du)，Mi爲㊙️第i種氣體(tǐ)的相對分🐪子(zi)質量
　　本文以(yi)摻混均勻度(dù)u和速度變異(yi)系數(coffi-cientofvariation,COV)來評價(jià)混合程度，輸(shu)出不同數據(jù)采集線處氫(qing)氣濃度以及(ji)速度。
摻混均(jun1)勻度μ計算公(gong)式爲
 
　　其中，`a爲(wèi)監測點氫氣(qi)濃度測量值(zhi)的平均值，n爲(wei)取樣截面内(nèi)所設監測點(diǎn)總數，a;爲第i個(gè)監測點所得(de)的氫氣濃🈲度(du)值🏃‍♀️。各截面内(nei)設置㊙️23個監測(ce)點進行摻混(hùn)均勻度μ的統(tong)🈲計計算。
速度(du)COV計算公式爲(wèi)
 
　　其中，σ爲标準(zhun)偏差，`c爲監測(ce)點測量值的(de)平均值，ci爲第(di)i個🧑🏽‍🤝‍🧑🏻監🛀🏻測點所(suo)得的氣體速(sù)度值。各截面(miàn)内設置23個監(jiān)😄測點☎️進行速(su)度🐉COV的統計計(ji)算。
1.3網格劃分(fen)
　　本文利用ANSYSWorkbench中(zhong)的Mesh模塊，選用(yòng)四邊形或三(san)角形網格法(fa)對流♊體域進(jìn)行網.格劃分(fen)。網格數量對(duì)Fluent仿真計算結(jie)果有至關重(zhòng)要的影🏃🏻‍♂️響。理(lǐ)論.上所采用(yòng)的特征尺寸(cùn)網格越小，得(dé)到的仿真結(jie)果越❌正确。但(dan)随着網格數(shù)👄量的增加，對(duì)計算硬件資(zi)源的要求更(gèng)高，而且導緻(zhi)🔅計算時間延(yán)長，降低求解(jie)💁結果的收斂(liǎn)🌈性。本文以摻(chan)混管路A，E爲代(dai)表💯，分析稀疏(shū)、中等、稠密三(sān)種網格特點(dian)對出口氫氣(qì)濃度變化的(de)☂️影響，進行網(wang)格無關性驗(yàn)證。結果如表(biao)1所示，随網格(ge)數量增加，不(bu)🌂同♉網格特點(diǎn)出口處氫氣(qì)摩爾分數波(bo)動很💋小。綜合(hé)網格平✊均偏(pian)斜系數和網(wang)格平均質量(liang)系數分析，三(sān)種網格特點(diǎn)💔下的網格質(zhi)量均滿足模(mó)型需求，可以(yi)忽略網格對(dui)仿真計算結(jié)果精度的影(ying)響。
 
　　基于上述(shù)無關性分析(xī)，本文選用中(zhōng)等特點的網(wǎng)格。網㊙️格尺寸(cun)爲⭐10mm,單元數爲(wèi)1220492個，節點數爲(wèi)240017個。最終網格(gé)平均偏斜系(xi)數爲🥰0.20,标準偏(pian)差爲0.11。偏斜系(xi)數在0~1範圍内(nei)，越接近0網格(ge)質量越優秀(xiù)。網格平均質(zhi)量系數爲0.85，标(biao)準偏差爲0.09。質(zhi)量系數在♌0~1範(fàn)圍内，越接近(jin)1網格質量越(yue)高❗，網格質量(liàng)滿足模型需(xū)求。
1.4邊界條件(jian)設定
　　湍流模(mo)型選用最具(jù)有适用性的(de)标準k-ε模型,适(shì)用氣體摻混(hùn)計算，在減小(xiǎo)計算量的同(tóng)時保證了計(ji)算精度。在操(cāo)作條件中設(shè)🔞定溫🚶度爲300K,重(zhòng)力沿y軸負方(fang)向爲9.8m/s2。管道入(ru)口均設👨‍❤️‍👨置爲(wèi)速🌈度進口💋邊(biān)界條件，主管(guan)道入口速度(dù)爲⛷️6.75m/s(流量:190.8m3/h)，摻混(hun)管道入口速(su)度爲3m/s(流量:21.2m3/h);主(zhu)管道和摻混(hun)管路入口初(chū)始湍流參數(shu)一緻，湍流強(qiang)度爲5%，湍流黏(nian)度比🌏爲10。管道(dao)出口設置爲(wèi)壓力出口邊(bian)界條件，出口(kou)回😄流湍流強(qiang)度爲5%，回流湍(tuan)流黏度比爲(wèi)10。水力直😘徑爲(wei)0.1m。主管道入口(kou)❓氣體爲純甲(jiǎ)烷，摻📱混管路(lu)入口氣體爲(wèi)純氫氣。将初(chu)始内部工🌍質(zhi)設爲100%甲烷後(hou)進行混合初(chū)始化，最後👣利(lì)用SIMPLEC算法進行(háng)計算求♊解。
2結(jié)果與分析
2.1不(bú)同匝數螺旋(xuan)管的氣體流(liú)動分析
　　在工(gōng)程實踐過程(cheng)中對氣體的(de)摻混效果進(jin)行評價㊙️時，一(yī)般認⭕定當摻(chān)混均勻度μ≥95%時(shí)，氣體在微觀(guān).上已達到摻(chān)♻️混均勻叫💁。如(ru)Kong等網以摻混(hùn)均勻度μ是否(fou)≥95%，來判定現有(yǒu)天然氣管道(dao)中摻入氫氣(qì)是否摻混均(jun)勻。氣體在傳(chuán)輸擴散過程(chéng)中會改變氣(qì)🍓體組分的濃(nong)度分布，同時(shi)影響氣體流(liu)速分布。甲烷(wan)和氫氣流經(jing)螺旋管摻混(hun)管路時，會受(shòu)到強烈二次(ci)流以及高濃(nóng)度差的影響(xiǎng)，加速氣體擴(kuo)散，管路❓中的(de)氣體最終向(xiàng)摻混均勻的(de)方向發展。如(ru)圖2所示爲摻(chān)混管路(A，B，C，D)内👈氣(qì)體摻混均勻(yún)度與螺旋管(guan)出口截面位(wei)置的關系。螺(luo)旋管管㊙️路的(de)氣體混合均(jun)勻性均随着(zhe)管路匝數🐇和(he)摻混距🙇‍♀️離的(de)增加呈🧑🏾‍🤝‍🧑🏼現.上(shàng)升趨勢。螺旋(xuán)管路的匝數(shù)越多，摻🤞混均(jun1)🚩勻所需的摻(chan)混距離越短(duǎn)。摻😍混管路A和(hé)B分别在146D和69D時(shí)實現氣體摻(chān)混均勻。而當(dāng)選用匝數爲(wei)3圈的摻混管(guan)路C時，在螺旋(xuán)管🐕出口3D的距(jù)離，摻混均勻(yun)度已經達到(dào)摻混均勻的(de)要求。由此可(kě)知，增加螺旋(xuan)管的匝☀️數可(kě)以非常有效(xiào)地縮短摻混(hun)距離，摻混🌐管(guan)路C的效果已(yǐ)經非常好。若(ruò)再增加匝數(shu)⛷️到六螺旋(摻(chan)混管路D)已無(wú)實際意義，反(fan)而會導緻摻(chan)混均🌍勻時的(de)距離增加到(dao)15D。
news-images/news-2036_wps 
　　爲了更清晰(xi)明了地觀察(cha)天然氣摻氫(qīng)混摻管路(A，B，C,D)的(de)摻混過程，以(yǐ)四種摻混管(guǎn)路的螺旋管(guan)出口爲起始(shǐ)點，每隔1D設置(zhi)一個監測截(jié)面。本文得到(dào)數據均是瞬(shùn)态仿真的結(jié)果，在初始時(shi)刻氫氣摩爾(ěr)分數爲0，表示(shì)氫氣還沒擴(kuo)散至指定位(wèi)置。如圖3所示(shì)摻混裝置C爲(wei)最佳摻混模(mó)型，在15D截面處(chù)，氫氣摩爾分(fen)數随注入時(shí)間，由0到9.8%的變(bian)化過程。氫氣(qi)流動擴散1.03s後(hou)，初次達到摻(chān)混均勻時，在(zai)15D截面處瞬時(shi)氫氣摩爾🍉分(fen)數爲3.9%。天然氣(qì)摻氫混摻管(guǎn)路A，B,C，D分别經過(guò)3.92s，2.19s，1.50s，2.03s後，氫氣的濃(nóng)🔅度等于進口(kǒu)氫氣與甲烷(wan)的流量比☎️(仿(páng)真結果是取(qǔ)到9.8%)，表示氫氣(qì)已擴散至指(zhǐ)定位置，并達(da)到穩态。圖4~圖(tu)7是♊天然氣摻(chān)氫混摻管路(lù)A、B、C、D分别在2.11s(146D截面(miàn)處🔞)、1.40s(69D截面處)、1.03s(15D截(jie)面處)、1.37s(15D截面處(chù))時刻，摻混管(guǎn)路在不同距(jù)離截💛面處的(de)氫氣摩爾分(fen)數雲圖，與穩(wen)态時的摩爾(er)分數不同。
news-images/news-2036_wps 
　　如(ru)圖4所示摻混(hùn)管路A在螺旋(xuán)管路出口處(chù)渦流作用非(fei)常劇烈，其分(fen)層現象明顯(xian)。且不同于--般(bān)氫氣的上下(xia)分層，摻混管(guǎn)路A中管道中(zhong)的氫氣直存(cún)在左右分層(ceng)，直至摻混距(jù)離在140D~150D達到摻(chan)混均勻，此時(shi)氫氣摩爾🈲分(fèn)數均約爲0.8%。圖(tú)5所示摻混管(guǎn)路B的管路截(jié)📞面氫氣濃度(dù)分布變化規(gui)律與圖4相似(si)，直至摻混距(ju)離在65D~70D達到摻(chān)混均勻，氫氣(qì)基本不再分(fèn)層，此時氫氣(qi)摩爾分數㊙️均(jun)約爲1.9%。而✍️圖6所(suǒ)示🐆的摻混管(guan)路C在螺旋管(guan)道出口處就(jiù)已經基本達(dá)到摻🔴混.均勻(yun)，氫氣已基本(ben)不存在分層(céng)，此時氫😄氣摩(mó)爾分數均約(yuē)爲3.9%。相比摻混(hun)管路C的三匝(zā)螺旋管，圖7所(suo)示摻混管路(lù)D增加到六匝(zā)螺旋的摻混(hun)效果反而下(xià)降。螺旋管道(dao)出口氫氣分(fen)層，直至摻混(hun)15D時👨‍❤️‍👨達到摻混(hùn)均勻，氫氣不(bu)再分層，此時(shi)氫氣摩爾分(fèn)數約爲💯2.0%。
 
 
　　氣體(tǐ)摻混後速度(du)分布雲圖，如(rú)圖8所示，速度(du)變化受匝🐅數(shù)影響👅較🧡小。摻(chān)混管路A和B均(jun)約在15D之後，摻(chān)混管路⁉️C約在(zài)10D之後，速度等(děng)高線變得非(fei)常規則，越來(lái)越趨近于圓(yuan)形，而摻混管(guǎn)路D約在40D後能(néng)達到同樣效(xiao)果。此時這四(si)種類型摻混(hùn)管🙇‍♀️路内的氣(qi)體速度已達(da)到充分穩流(liú)發展的狀态(tài)，之後基本不(bú)再發生變化(hua)。流速分布很(hen).合理，距離🧑🏽‍🤝‍🧑🏻管(guǎn)道中心線越(yuè)近其速度越(yuè)快，符合黏性(xìng)定律。
 
 
　　摻混管(guǎn)路(A，B，C，D)速度COV與截(jié)面位置的關(guān)系如圖9所示(shì)。随着截面位(wèi)置⭐向下遊移(yi)動，摻混管路(lu)(A，B,D)的速度COV一直(zhí)處于波動狀(zhuang)态🌂，但皆🈲不超(chāo)過15%。相比于A，B和(hé)D，摻混管路C内(nei)氣體速度分(fen)布更爲均勻(yun)，其速度COV-直穩(wen)定在5%左右。綜(zong)合考慮氣體(ti)摻混均勻度(dù)μ和速度COV,摻混(hùn)管路C爲🤩最佳(jiā)摻混模型。
 
2.2單(dan)螺旋結合變(biàn)徑管的氣體(ti)流動分析
　　如(rú)圖10所示爲摻(chan)混管路(E，F，G，H)的管(guǎn)路内氣體摻(chan)混均勻度與(yu)截面位📧置❄️關(guan)系，摻混管路(lù)E，F，G，H是在單螺旋(xuan)的基礎上添(tiān)加變徑管(膨(peng)脹管或收縮(suo)管)，分别在136D，132D,107D，96D處(chu)時實現氣㊙️體(tǐ)摻混均勻。相(xiang)比單螺🐇旋管(guǎn)的✏️146D，在不同位(wèi)置添加任何(he)變徑管💋均能(néng)在.不🔅同程度(dù).上實現縮短(duan)摻混距離的(de)效果。将變徑(jìng)管置于單螺(luó)旋管之前🍉氣(qi)體初步摻混(hùn)後再進入單(dān)螺旋管進一(yi)步摻混，明顯(xiǎn)比置于單👈螺(luó)旋管之後更(gèng)能有效地縮(suō)短摻混。而氣(qi)體進入收💜縮(suō)管内流動速(su)度會📧增大，此(ci)時的擾動更(gèng)🚶加劇烈，有助(zhu)于氣體摻混(hùn)。針對變徑管(guǎn)位置及類型(xíng)，摻混管路🈲H(即(jí)前收縮.管)的(de)摻混效果更(geng)好。
 
本組所得(de)數據是瞬态(tai)仿真的結果(guo)，在初始時
刻(ke)氫氣摩爾分(fen)數爲0，表示氫(qīng)氣還沒擴散(sàn)至指定位置(zhì)。如圖🔴11摻混裝(zhuang)置H爲最佳摻(chan)混模型，在96D截(jié)面處，氫氣摩(mó)爾分數随注(zhu)入時間，由0到(dao)9.8%的變化過程(chéng)。氫氣流動擴(kuo)散1.53s後，初次達(da)到摻混均勻(yun)時，在96D截面☎️處(chu)瞬時氫氣♍摩(mó)爾分數爲1.6%。天(tian)然氣摻氫混(hun)摻管路E，F，G，H

　　分别(bie)經過3.06s，2.95s，2.94s，2.48s後，氫氣(qi)的濃度等于(yú)進口氫氣與(yǔ)甲烷的🌈流量(liang)比(仿🌈真結果(guo)是取到9.5%)，表示(shì)氫氣已擴散(sàn)至指定㊙️位置(zhì)❓，并達到穩态(tài)。圖12~圖15是天然(ran)氣摻氫混摻(chan)管路E，F，G，H分别在(zai)1.91s、1.89s、1.69s、1.53s時🈚刻，摻混管(guan)路在不同距(jù)🐆離截面❌處的(de)氫氣摩爾分(fen)數雲圖，與穩(wěn)态時的摩爾(ěr)分數不同。.
 
 
　　對(duì)比圖12~圖15，四種(zhǒng)類型摻混管(guǎn)路的管道截(jié)面氫氣濃度(du)變化💔規律很(hen)相似。在螺旋(xuan)管道出口.處(chu)氫氣均存在(zài)明顯的左右(yòu)分層現象。但(dan)随着距離的(de)增加，最終均(jun1)能達到摻混(hùn)均勻，氫氣基(jī)本不再有分(fen)層的狀态。但(dàn)不同類型管(guan)道達🈲到此狀(zhuang)态所需的距(ju)離不一。如圖(tú)12所示摻混管(guǎn)路E需約130D~140D的距(jù)離才能達💋到(dào)此狀态，此時(shí)氫氣摩爾分(fen)數約爲0.9%;圖13所(suo)示的摻混管(guan)路F同♊樣需💃🏻約(yuē)130D~140D的距離達到(dao)此狀态，此時(shi)氫氣摩爾分(fèn)數比摻混管(guan)路E略大，約爲(wèi)1%;圖14所示的摻(chan)混管路G需約(yuē)100D~110D的距離達🛀到(dao)此狀态，此時(shi)氫氣摩爾分(fen)數約爲1.2%;圖15所(suǒ)示的摻混🏒管(guǎn)路H需約90D~100D的距(ju)離達到此狀(zhuàng)态，此時氫氣(qi)摩爾分數✍️約(yue)爲1.6%。
氣體摻混(hùn)後速度分布(bu)雲圖如圖16所(suo)示。管道尺寸(cun)的變化會😘導(dǎo)緻内部的氣(qi)體流動速度(dù)突變，使得氣(qì)體速度❌穩定(ding)🌈下來🌐所需🎯的(de)距🐆離更遠。摻(chan)混管路E，F，G，H均在(zài)約30D之後，速度(du)等高線形狀(zhuang)穩定下來，比(bi)單螺旋管(15D)的(de)截面距離大(dà)一倍。
 

　　摻混管(guǎn)路(E，F，G，H)速度COV與截(jie)面位置的關(guān)系如圖17所示(shi)。初始截面位(wèi)🈲置時,摻混管(guan)路(E，H)的速度COV最(zuì)大，約爲17%。而随(sui)着截面位置(zhì)向管道🚩的下(xià)🐕遊移動，這四(si)種類型的摻(chan)混管路的速(su)度COV均穩定在(zai)8%附✊近。雖然♻️四(si)種類型的摻(chān)混管路最終(zhōng)穩定時的COV差(chà)别很小，但相(xiang)比摻混管路(lù)(E，F，G),摻混🐇管路(H)的(de)速度COV達到穩(wěn)定時所需的(de)距離最短，僅(jin)需10D。故摻混管(guǎn)路H爲💛最佳摻(chan)混模型。
 
　　本文(wen)設置爲10%的摻(chān)混比，穩态仿(páng)真的時候，組(zǔ)分濃度隻🌈是(shì)依🏃‍♂️賴于進口(kou)流量比。但在(zài)瞬态仿真的(de)時候，組分濃(nong)度不僅依賴(lai)于進口流量(liàng)比，還跟流體(tǐ)的運動時間(jian)、狀态有關。瞬(shùn)态計算中，發(fa)展階段變化(huà)屬于介💃🏻質置(zhi)換過程(初始(shǐ)管内全部甲(jiǎ)烷)，詳細讨🏃🏻‍♂️論(lun)各摻混管路(lu)的氫氣㊙️濃度(dù)演化的過程(chéng)。而達到穩定(ding)後，沿程的變(biàn)化特征反映(ying)的是氫氣和(he)甲烷分層及(ji)其滑移效果(guo)，氫氣密度小(xiǎo)，相同截🔴面間(jiān)壓差會有更(geng)大的流動速(sù)度，摩爾濃度(du)小于進口流(liú)量直接計算(suàn)值。通過對比(bi)在相🤩同截面(miàn)位置的摻混(hun)管路A氫濃度(du)(圖🏃🏻4)對應🛀🏻速度(du)(圖8)以及摻混(hun)管路E的氫濃(nóng)度(圖12)對應速(sù)度(圖16)分析可(ke)得:隻有當二(èr)者摻混均勻(yun)後，氣體組分(fen)間相互♈作用(yong)，均質、同速運(yun)動，進口流量(liang)直🐪接計算的(de)摩爾濃度才(cai)與實🔆際相符(fú)。計算結果氫(qīng)氣摩爾濃度(du)偏低9.8%(入口設(shè)置的10%)，正反映(yìng)了非均勻摻(chan)混狀态，甚至(zhi)明顯分層結(jié)構下，氫氣流(liu)速高過甲烷(wan)，存在明💃顯介(jiè)質間滑移現(xiàn)💯象這個事實(shí)。也進一步證(zheng)明摻混效果(guo)對真實速度(dù)正确和正确(què)測量的必要(yào)⭐性。
2.3适應性條(tiáo)件
　　隻有當混(hùn)合氣體摻混(hun)均勻，且管道(dao)内氣體流速(su)已達到充分(fèn)穩流的對稱(chēng)分布狀态時(shí)，才能保證超(chao)聲波流量計(ji)計量的正👅确(que)率。因此，本文(wen)結合不同結(jie)構👄的摻混管(guǎn)路仿真模拟(ni)結果，保證超(chāo)聲流量計計(ji)量☔正确率的(de)推薦安裝位(wèi)置如表2所示(shì)。由表2可知螺(luó)旋管的匝數(shù)以🚶及變徑管(guan)位置對流量(liang)計安裝距離(lí)的影響最大(da)。
news-images/news-2036_wps 
3結論
　　爲研究(jiū)不同天然氣(qì)摻氫管路結(jie)構對超聲波(bo)流量計✏️安裝(zhuāng)距離的影響(xiang)，本文針對不(bu)同匝數螺旋(xuan)管路、單螺旋(xuán)結合變徑管(guǎn)路進行CFD仿真(zhen)模拟，得到氫(qing)氣摩爾分數(shù)雲圖以及反(fǎn)映其摻混均(jun)勻度的μ和COV的(de)變化規律，最(zuì)終📞得到最佳(jiā)摻混模型及(jí)超聲波流量(liang)計安裝距離(lí)。具體♈内容如(rú)下。
(1)對于不同(tong)匝數螺旋管(guan)的氣體流動(dòng)分析,在0~20D間μ的(de)變化最爲劇(ju)烈，即此時氣(qi)體擾動最爲(wèi)劇烈，氣體摻(chān)混🏃‍♂️主要在這(zhè)一範圍進行(hang)。一般螺旋的(de)匝數越多，超(chao)聲流量計安(ān)裝距離越短(duan)。當增加到三(sān)螺旋時僅需(xu)15D。此🚩後再增加(jia)匝數已無實(shi)際意義🥰，增加(jia)到六螺旋時(shí)的超聲流量(liang)計安裝距離(lí)仍爲15D。.
(2)對于單(dan)螺旋結合變(bian)徑管的氣體(tǐ)流動分析，在(zai)0~25D間μ的🔴變🚶‍♀️化最(zuì)🎯爲劇烈，此範(fan)圍氣體摻混(hun)效率更好。相(xiang)比變徑管的(de)類型，其安裝(zhuāng)位置明顯對(dui)超聲流量計(ji)安裝💯距離影(yǐng)響更大。同樣(yàng)的膨脹管安(an)裝在前端(107D)比(bi)後端(136D)所需的(de)距離少19D，同樣(yàng)的收縮管安(ān)裝在前端(96D)比(bǐ)後端(136D)所需的(de)距離🔞少26D。而同(tóng)樣位置的不(bú)同類📱型變徑(jing)管，其超聲流(liú)量計🔞安裝距(jù)離差異性較(jiao)小。
(3)不同匝數(shù)螺旋管下，摻(chan)混裝置C爲最(zui)佳摻混模型(xíng)，氫氣流動擴(kuo)散初次達到(dao)摻混均勻度(dù)μ時，在15D截面處(chù)瞬時氫氣摩(mo)爾分☁️數爲3.9%;單(dan)螺旋管結合(he)變徑管下，摻(chan)混管路H爲最(zui)佳摻🔱混模型(xíng)，氫氣流動擴(kuo)散🔞初次達到(dao)摻混均勻度(dù)μ時，在96D截面處(chu)瞬時氫🌈氣摩(mó)爾分💃數爲1.6%。

本(ben)文來源于網(wang)絡,如有侵權(quan)聯系即删除(chú)！