天然气化工管道设备的CFD模拟

毛玉海

摘 要：在城镇气化站和加气站传输时会遇到多处水平和垂直转弯的情况，在弯管处液化天然气的速度、压强产生巨大变化，对弯管壁的压强显著增强，可能会产生气泡，对管道产生一定隐患。针对有压LNG管道，利用ANSYSWorkbench软件的Fluent模块数值模拟与分析，得到管道内部压强场和速度场分布，通过对比不同流速下在管道转弯处的流场，得到了不同流速对内部压强的影响变化规律。

关键词：液化天然气管道 流场 数值模拟 Fluent

中图分类号：TU712 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（b）-00-02

液化天然气（LNG）主要由大量的甲烷、少量的乙烷、丙烷、氮等组分构成，密度约为0.42～0.46g/cm3，文献1使用ANSYSWorkbench软件的有限元分析方法对船用LNG管道进行数值模拟分析，将罐体管道的连接接口处作为研究的管道为宜载荷，对管道进行应力校核，探索船用液化天然气储存罐和天然气管道的应力分析方法，为船用LNG储存罐和管道设计提供借鉴方法[1]；使用Fluent软件模拟液化天然气管道氮气预冷卸料管温度分布的规律，使用阶段性降低氮气入口温度预冷的方法，探究卸料管道温差产生的原因[2]；本文采用ANSYSWorkbench的Fluent模块对液化天然气不同流速下在管道转弯处的流场进行数值模拟与分析，为今后压强管道的设计和使用提供了一定的借鉴作用。

1 二维建模与网格划分

由于液化天然气管道成轴对称的特点，我们使用ANSYSWorkbench的Geometry模块建立“U”形液化天然气管道二维几何模型，公稱直径设置为90mm，采用1.5D的弯头，弯头的弯曲半径为137mm，管道的下行高度取500mm，建立完模型后从草图生成面物体，使用ANSYSWorkbench自带的mesh模块对建立“U”形液化天然气管道二维几何模型进行网格划分，网格数量的多少对模拟效果的影响很大，高阶单元可更好地实现所建模型结构的复杂曲线边界，不同阶次单元之间或采用特殊的过渡单元连接，或采用多点约束等式连接由于弯管处变化较大，使用Mesh模块的Sizing功能，使管道转弯处网格划分密集，弯管处应力变化较大，为了更好地反映数据变化规律，采用比较密集的网格，将进气端设置为inlet，出口端设置为outlet。

2 利用Fluent求解器求解

将生成的Mesh文件导入Fluent模块，使用Check功能检查网格信息，当最小网格体积大于0时才可以用于计算，将管道的液化天然气视为低速不可压缩流体，选择双精度压强基隐式求解器，管道流体的雷诺数大于4000，流动为湍流，湍流运动时流体质点具有不断随机的相互掺混现象，速度和压强等物理量具有随机性质的脉动，设置湍流模型为k-epsilon双方程模型，使用k-ω双方程模型进行湍流计算。k-ω双方程模型分为标准的k-ω和SST k-ω模型。Wilcox k-ω模型在预测自由剪切流传播速率时，取得了很好的效果，成功应用于尾迹流，混合层流动，平板绕流，圆柱绕流和放射状喷射。因此，sst k-ω模型在很多时候比标准的k-ω模型更加有效。液化天然气在管道中流动受壁面限制，壁面附近的流场变量梯度较大，使用Fluent自带的标准壁面函数法处理液化天然气管道的壁面，流体流动时遵循能量守恒定律、动量守恒定律、质量守恒定律，在设置操作环境时，操作压强选取默认值，Y方向的重力加速度设置为-9.81g/cm3，定义流体的物理性质时设置液化天然气的密度为0.45g/cm3，粘度为0.204Pa·s，在设置边界条件时，将液化天气管道模型的进口设置为velocity-inlet，入口速度分别设置为0.5m/s、1.5m/s、outlet设置pressure-outlet，出口的压强设置为0.35Mpa，设置液化天然气管道的壁面的边界条件为默认条件，设置求解参数时，pressure-velocity Coupling对应的是压强-速度耦合求解方式，为了提高计算精度，把差分格式调整为二阶精度，依次点击Solve-Intialize对流场进行初始化[3]，初始条件对求解的影响特别大，所以给出的初始值尽量接近真实值，气化站运行压强在0.4～0.6Mpa，将入口压强设置为0.4Mpa，将残差设置为0.000001，开始进行迭代运算。

3 结果分析

本模型存在2个90°弯头，图1、图2是当进口流速分别是0.5m/s、1.5m/s LNG管道速度流场分布图，从图1-2可以看出弯管处出现二次流现象，涡心靠近外侧壁面，远离内侧壁面，管道内侧壁面对流场的约束作用较少，流速变化较小，弯头外侧壁面附近区域流速均迅速减少，这主要是弯道边壁约束作用导致的。

图3、图4是当进口流速分别是0.5m/s、1.5m/sLNG管道压强流场分图，从图3、图4可以看出，弯管的最大压力出现在弯管外侧的附近区域，导致了在实际应用中LNG管道最容易磨损的部位在弯管外侧，流体压强随着管道的运输存在压强损失而变小，弯头内侧壁面附近区域压强小，弯头外侧壁面附近区域压强大，这主要是由于在弯头处离心力作用流体被甩到外侧壁面导致大量流体积聚在外侧壁面导致。

4 结语

利用Fluent软件对有压LNG管道进行了压强场和速度场规律的探索，弯管处出现二次流现象，涡心靠近外侧壁面，远离内侧壁面，管道内侧壁面对流场的约束作用较少，流速变化较小，弯头外侧壁面附近区域流速均迅速减少，弯管的最大压力出现在弯管外侧的附近区域，导致了在实际应用中LNG管道最容易磨损的部位在弯管外侧，随着进口流速的增加，弯头处最小压强逐渐减小。

参考文献

[1] 甘绍警，周瑞平，甘少炜，等.船用LNG储罐与管道应力计算[J].舰船科学技术，2018（1）：35-40.

[2] 曹学文，吉俊毅，杨文.LNG卸料管道氮气预冷温度分布规律[J].油气储运，2016，35（5）：492-497.

[3] 张宇，栾江峰，张斯亮.基于FLUENT的压强管道内部流场分析[J].当代化工，2014（6）：1106-1108.