摘要：氫氣(qì)作爲全(quán)球脫(tuō)碳目(mù)标的重(zhòng)要載體(tǐ)，輸送量是(shì)限制(zhì)其大規(guī)模應用的主要瓶頸(jǐng)。摻氫天然(rán)氣(qì)是實現大(dà)流量輸送(sòng)氫氣(qì)的一種重(zhòng)要途徑。氫氣的(de)摻入導(dǎo)緻(zhì)流速(sù)畸變，降低超聲(shēng)波流量計的性能。以(yǐ)摻(chān)入氫氣(qì)的甲烷(wán)爲(wèi)主要工質(zhì)，對8種類(lèi)型(xíng)摻混管路内部的氣體流動狀态進(jìn)行模(mó)拟仿(páng)真研(yán)究(jiū)，分析流(liú)場内氣體(tǐ)速度(dù)和氫(qīng)氣濃度的分布狀态(tài);并對超聲(shēng)波(bō)流(liú)量計(jì) 的适應性進行(háng)分析(xī)，确定其推(tuī)薦安(ān)裝位置。在超聲(shēng)流量計的适應(yīng)性分(fèn)析中(zhōng)，三匝(zā)螺旋管時(shí)僅需15d;對于單螺旋結合變徑管(guǎn)的适應(yīng)性影響(xiǎng)更大，最小需要(yào)96d。通(tōng)過比較(jiào)，摻混(hùn)管路(lù)c爲最(zuì)佳(jiā)模(mó)型，摻混均勻時的氫氣摩爾分(fèn)數約爲3.9%。可(kě)爲超聲波(bō)流量(liàng)計在(zài)摻氫天然氣正(zhèng)确計量方面提(tí)供參考。
　　溫室氣體排放量增加導緻全(quán)球(qiú)極端(duān)天氣頻(pín)發，碳(tàn)中(zhōng)和戰略轉型全(quán)球勢在(zài)必行叫(jiào)。從《巴黎(lí)協定》無碳未(wèi)來願景及(jí)碳中(zhōng)和的全球目标網到我國(guó)碳達峰、碳(tàn)中和的目(mù)标問，大規(guī)模氫氣輸送的綜合(hé)能源(yuán)系統(tǒng)是實現(xiàn)這(zhè)些目标的有效途徑(jìng)。可再(zài)生能源大力發(fā)展及(jí)氫能(néng)技術與産(chǎn)業飛(fēi)速發(fā)展爲氫氣(qì)輸送和(hé)應(yīng)用的(de)快速發展提供(gòng)了條件(jiàn)間。預計(jì)到2050年，全球可再(zài)生氫(qīng)能能(néng)源達(dá)到将(jiāng)近10°kw,全球氫(qīng)能市值将達到(dào)10萬億(yì)美(měi)元問。但(dàn)氫能(néng)的生産地與使(shǐ)用地嚴重(zhòng)不匹配(pèi)導緻氫能的(de)發展受限(xiàn)。相比(bǐ)傳統高壓(yā)瓶、低溫液化等(děng)物理儲運(yùn)方式(shì)的小(xiǎo)輸送量、高(gāo)成本、長耗(hào)時7，管(guǎn)道輸(shū)送可實現(xiàn)長距離(lí)、大(dà)規(guī)模(mó)、低成本氫(qīng)氣輸(shū)送且供氣量持續穩定。基于現(xiàn)有天然(rán)氣(qì)管網(wǎng)設施的優(yōu)勢，将(jiāng)氫氣摻入天然(rán)氣管道輸送是(shì)解決(jué)氫氣運輸的必然發展趨(qū)勢閣。
　　氫氣(qì)的物(wù)理和化學(xué)性質(zhì)與天(tiān)然(rán)氣有較大差(chà)異(yì)。氫氣摻(chān)入天然氣改變(biàn)管道(dào)内的氣(qì)體狀态(tài)引起(qǐ)溫度、壓力下(xià)降回，影(yǐng)響着輸送(sòng)系統(tǒng)計量裝置(zhì)的正(zhèng)确率(lǜ)。因此，對摻(chān)氫天(tiān)然(rán)氣(qì)管道輸送過程進行(háng)監測(cè)及(jí)計量至(zhì)關重要。超聲波(bō)氣體流量(liàng)計(jì)具(jù)有壓損(sǔn)小(xiǎo)、精度高、響(xiǎng)應(yīng)時間快(kuài)和安全大等優(yōu)點，在(zài)天然氣計(jì)量領(lǐng)域占據主(zhǔ)導地(dì)1011。超(chāo)聲(shēng)波流(liú)量計針(zhēn)對混合(hé)氣體(tǐ)的計(jì)量需(xū)保證氣體混合(hé)均勻及管(guǎn)道内(nèi)流速穩定對稱(chēng)。
　　目前全球(qiú)天然(rán)氣摻(chān)氫(qīng)工業實踐(jiàn)項目共有39個(gè)，輸送量高達(dá)2900噸/年間。2004年，歐(ōu)盟開(kāi)始建設(shè)naturalhy項目進行天然氣摻氫(qīng)的應用研究，得(dé)到系統運(yùn)行的(de)最優摻氫(qīng)比爲20%則。2017年，英(yīng)國能源(yuán)供應公司(sī)開展(zhǎn)“hydeploy”天(tiān)然(rán)氣(qì)摻氫項(xiàng)目，在第一(yī)階段工作(zuò)證明利用(yòng)現有天然氣管(guǎn)道加入(rù)20%氫氣摩(mó)爾分(fèn)數是可行(háng)的5。2018年，國内首個(gè)天然氣摻氫示範項目研(yán)究呵(hē)，得到3%~20%之(zhī)間(jiān)的任意(yì)摻(chān)氫比(bǐ)。這些(xiē)工業實(shí)踐項目(mù)爲大規(guī)模天然(rán)氣摻氫進行管道輸(shū)送提(tí)供了(le)正确的依據。由(yóu)于摻(chān)氫(qīng)天然氣(qì)屬于(yú)易燃易爆(bào)氣體(tǐ)，通(tōng)常會先(xiān)利用(yòng)計算流體力學(xué)理論方法(fǎ)對摻氫天然(rán)氣(qì)的流(liú)場進(jìn)行分(fèn)析，并對(duì)超聲波(bō)流量(liàng)計在管道(dào)中的适應性進(jìn)行數值模拟。chen等71對不同(tóng)雷(léi)諾數(shù)下單(dān)右彎管和(hé)孔闆下遊(yóu)的氫(qīng)氣流(liú)動(dòng)進行模(mó)拟分析。流(liú)量計(jì)位置越(yuè)靠(kào)近擾(rǎo)動裝置，其誤差(chà)越大，增加聲路數(shù)量可有效減(jiǎn)少誤(wù)差。liu等18對(duì)管(guǎn)件連接處之後(hòu)的天然氣(qì)流動進行仿真(zhēn)分析，并給(gěi)出(chū)了超聲(shēng)波流量(liàng)計(jì)安裝(zhuāng)要求。邵欣(xīn)等l9對(duì)最常見(jiàn)的(de)90°單彎(wān)頭圓管過(guò)渡區(qū)甲烷流(liú)場(chǎng)的流(liú)動機理進行(háng)分析。基于此(cǐ)安裝整流(liú)器可有效(xiào)改善管(guǎn)道内流(liú)場速度(dù)分布，縮(suō)短超聲波(bō)流量計的安裝(zhuāng)位置(zhì)。唐曉宇等20對90°單(dān)彎管(guǎn)道内空氣(qì)流動狀态(tài)進行分析，随下遊直(zhí)管距離(lí)增(zēng)加，超聲波(bō)氣體(tǐ)流量(liàng)計的計(jì)量偏差逐漸(jiàn)減(jiǎn)小。當管(guǎn)道内流場(chǎng)分布(bù)非對(duì)稱(chēng)時，會影(yǐng)響超聲波計量效果(guǒ)。擾動越劇(jù)烈，氣(qì)體摻混效果越(yuè)好。國内外(wài)對于利用(yòng)超聲(shēng)波流(liú)量計進行(háng)摻氫天然(rán)氣計(jì)量的模(mó)拟(nǐ)仿真(zhēn)研究(jiū)主要集中(zhōng)在改進聲道位(wèi)置、數量(liàng)、設(shè)置整(zhěng)流器(qì)、旋流(liú)器等(děng)，從而縮短超聲(shēng)波流量(liàng)計的安裝位(wèi)置(zhì)。缺(quē)少對管路結構(gòu)進行(háng)改進(jìn)，本文通過計算流(liú)體動力(lì)學(computationalfluiddynamics,cfd)仿真手(shǒu)段，研(yán)究摻氣(qì)天(tiān)然氣(qì)管道結構爲螺旋管(單螺旋、雙(shuāng)螺旋、三(sān)螺(luó)旋、六(liù)螺旋(xuán))和單(dān)螺旋+變徑(jìng)管(guǎn)(膨(péng)脹管(guǎn)或收(shōu)縮(suō)管)内的(de)氣體混合(hé)規律及速(sù)度分布:并(bìng)推薦了超聲波流量計在(zài)螺旋(xuán)管路(lù)的安(ān)裝位置，爲(wèi)超聲波流量計的正确計(jì)量提(tí)供參考。
1摻(chān)氫天然氣(qì)管路模型
1.1數(shù)值仿真(zhēn)模型建立(lì)
　　爲研(yán)究(jiū)管(guǎn)路結構對(duì)摻氫天然(rán)氣摻(chān)混狀态影(yǐng)響，本(běn)文在單螺旋管摻混管路的基(jī)礎(chǔ)上，使用(yòng)design.modeler構建(jiàn)了8種摻混管路(lù)的3維(wéi)模型(xíng)，如圖1所示。摻混(hùn)管路(lù)分别(bié)爲不同匝(zā)數螺旋管(單螺(luó)旋a型、雙螺旋b型、三螺旋c型(xíng)、六螺(luó)旋d型)和(hé)單螺旋(xuán)管路(lù)結合變徑(jìng)管路(單螺(luó)旋+後(hòu)膨脹(zhàng)e型、單螺旋+後收縮(suō)f型(xíng)、單螺旋+前膨脹(zhàng)g型、單(dān)螺旋+前(qián)收縮h型(xíng))。由于将密度較(jiào)輕氫氣從底(dǐ)部(bù)充入天然(rán)氣管(guǎn)路能取得(dé)較好(hǎo)的摻(chān)混效果，因(yīn)此設(shè)計從(cóng)管路(lù)底部(bù)充入天然(rán)氣。具體參(cān)數設(shè)置爲:管(guǎn)路直徑d=100mm,甲烷入口直徑(jìng)爲1d，氫氣入口直(zhí)徑爲(wèi)0.5d，出口直徑爲1d,螺(luó)旋管(guǎn)曲率(lǜ)半徑爲(wèi)2d。氫氣入口(支(zhī)管軸(zhóu)線)距(jù)螺旋管(guǎn)起(qǐ)始截(jié)面長度爲3d，多匝(zā)螺旋管(guǎn)螺(luó)距爲(wèi)1.5d。膨脹管長度爲3d，膨脹管直徑最(zuì)大處(chù)爲.1.5d;收(shōu)縮管(guǎn)長度爲3d，收縮管(guǎn)直徑最小處爲(wèi)0.5d。爲使氣(qì)體充分摻混(hùn)，将下遊管路總長度(dù)設置(zhì)爲150d。在(zài)計算不(bú)同匝數螺旋(xuán)管及(jí)單螺旋(xuán)管路結(jié)合變(biàn)徑管路結(jié)果時(shí)，定義的長(zhǎng)度l是以(yǐ)螺旋.管(guǎn)終止(zhǐ)截(jié)面爲起(qǐ)點。
 
1.2數學模(mó)型
　　氣(qì)體流動(dòng)需(xū)滿足(zú)連續性(xìng)方程、動量守(shǒu)恒(héng)方程、能(néng)量守恒方(fāng)程等(děng)基本(běn)控(kòng)制方程(chéng)。
　　天然(rán)氣和氫氣(qì)在摻混過程及(jí)在管道流(liú)動(dòng)中(zhōng)的連續性(xìng)方程爲
 
　　式(shì)中(zhōng)，p爲流體(tǐ)微元體上的壓(yā)力(lì);u爲速度(dù)矢量(liàng);fx,和fy爲(wèi)微元(yuán)體在(zài)x軸，y軸和(hé)z軸(zhóu)方向(xiàng)上的力(lì);txx，tyx，tzx，txy，tyy，，tzy:，txz，tyz，tzz爲微元(yuán)體表(biǎo)面(miàn)的(de)不同黏性(xìng)應力分量(liàng)。
　　摻混過程及在管道(dào)流動(dòng)中的(de)能量守(shǒu)恒定律(lǜ)爲
 
　　式(shì)中，k爲流體(tǐ)傳熱系數，cp爲比(bǐ)熱容(róng)，t爲溫(wēn)度，st爲(wèi)流體内熱源和(hé)因黏(nián)性(xìng)作(zuò)用流(liú)體機械能轉化爲熱能部分。
　　天(tiān)然氣與(yǔ)氫氣摻混時需開啓組(zǔ)分運輸，此(cǐ)時管(guǎn)路中(zhōng)氣體的傳(chuán)播規律
 
　　其(qí)中，ρcw爲(wèi)組分w的質量(liàng)濃(nóng)度，dw爲組分(fèn)w擴散系數。
　　天(tiān)然氣摻(chān)氫的過程中遵(zūn)循理想氣(qì)體狀(zhuàng)态方程。
　　由于摻混過程中(zhōng)的氣(qì)體參數(流量、壓力等)發生變化(huà)，會導緻摻(chān)混氣體的密度(dù)、動力(lì)黏度、狀态(tài)方程(chéng)參數(shù)等(děng)産(chǎn)生變(biàn)化。具體表(biǎo)達式(shì)
 
　　其中(zhōng)，pop爲(wèi)摻混氣(qì)體的工作(zuò)壓力，p爲相對(duì)于(yú)pop的局(jú)部相對(duì)壓力，r爲(wèi)氣體(tǐ)常數(shù)，t爲氣(qì)體溫度，yi爲第i種(zhǒng)氣體(tǐ)的質量(liàng)分(fèn)數，mɷi爲(wèi)第i種(zhǒng)氣體.的分(fèn)子(zǐ)質量。
 
　　其(qí)中，um爲摻混(hùn)氣體(tǐ)動力黏(nián)度，m爲氣(qì)體種類(lèi)數(shù)，出(chū)爲(wèi)第i種(zhǒng)氣體(tǐ)的摩(mó)爾百分比(bǐ)，ui爲第(dì)i種氣體(tǐ)的動力(lì)黏(nián)度(dù)，mi爲第i種氣(qì)體的相對分子(zǐ)質量
　　本文(wén)以摻(chān)混均(jun1)勻(yún)度u和速(sù)度變異系(xì)數(coffi-cientofvariation,cov)來評價混合(hé)程度(dù)，輸出(chū)不(bú)同數據(jù)采集(jí)線處氫氣(qì)濃度以及速度(dù)。
摻混均勻度μ計(jì)算(suàn)公式爲
 
　　其中(zhōng)，`a爲監測點氫氣(qì)濃度測量值的(de)平均值，n爲取樣(yàng)截面内所(suǒ)設監測點(diǎn)總(zǒng)數(shù)，a;爲第(dì)i個監(jiān)測點所(suǒ)得的氫氣(qì)濃(nóng)度值(zhí)。各截面内(nèi)設置(zhì)23個監測點進行(háng)摻混(hùn)均勻(yún)度μ的(de)統計(jì)計算。
速度(dù)cov計算(suàn)公式爲
 
　　其(qí)中，σ爲(wèi)标準(zhǔn)偏差(chà)，`c爲監(jiān)測點測量值的(de)平均值，ci爲(wèi)第i個監測點(diǎn)所(suǒ)得的氣體速度值。各截面(miàn)内設置23個(gè)監測點進(jìn)行速度cov的統計(jì)計算。
1.3網格劃分(fèn)
　　本文利(lì)用(yòng)ansysworkbench中的mesh模塊(kuài)，選(xuǎn)用(yòng)四邊(biān)形或(huò)三角形網(wǎng)格法(fǎ)對流體域(yù)進行網.格劃分(fèn)。網格(gé)數(shù)量對fluent仿(páng)真計(jì)算(suàn)結(jié)果有(yǒu)至關重要(yào)的影(yǐng)響。理論.上(shàng)所采(cǎi)用的(de)特征尺寸(cùn)網格越小(xiǎo)，得到(dào)的仿真結果越(yuè)正确。但(dàn)随(suí)着網(wǎng)格數(shù)量(liàng)的增加(jiā)，對計算硬件資(zī)源的要求更高，而且導(dǎo)緻計算(suàn)時間延(yán)長，降低(dī)求(qiú)解結果(guǒ)的收(shōu)斂性。本文以(yǐ)摻(chān)混管路a，e爲(wèi)代表，分析(xī)稀疏、中等(děng)、稠密(mì)三(sān)種網格(gé)特(tè)點對出口氫(qīng)氣濃度變(biàn)化的(de)影響(xiǎng)，進行(háng)網格(gé)無關性(xìng)驗(yàn)證。結(jié)果如表1所示，随(suí)網格數(shù)量(liàng)增加(jiā)，不同(tóng)網格特點(diǎn)出口(kǒu)處氫(qīng)氣摩爾分數(shù)波動很小。綜合網格平(píng)均偏(piān)斜(xié)系(xì)數和(hé)網格平均(jun1)質量(liàng)系數分析(xī)，三種(zhǒng)網格特(tè)點下的(de)網格(gé)質量均滿(mǎn)足模型需求，可(kě)以忽略網(wǎng)格對(duì)仿真計算結果精度(dù)的影響。
 
　　基(jī)于上述無關性(xìng)分析，本(běn)文選用(yòng)中等(děng)特(tè)點的網(wǎng)格。網格尺(chǐ)寸爲(wèi)10mm,單元數(shù)爲1220492個，節(jiē)點數(shù)爲240017個。最終(zhōng)網格(gé)平均(jun1)偏斜(xié)系數(shù)爲(wèi)0.20,标準偏(piān)差爲0.11。偏斜(xié)系數(shù)在0~1範圍(wéi)内，越接近0網格質量越優秀。網格平均(jun1)質量系數爲0.85，标(biāo)準偏差爲0.09。質量(liàng)系數在(zài)0~1範圍内(nèi)，越接近1網格質(zhì)量越高，網格質量滿(mǎn)足模型需(xū)求。
1.4邊界條件設(shè)定
　　湍流(liú)模型選(xuǎn)用最(zuì)具(jù)有(yǒu)适用性(xìng)的(de)标準k-ε模型(xíng),适用氣體摻混(hùn)計算(suàn)，在減(jiǎn)小計(jì)算量的同時保(bǎo)證了(le)計算精度(dù)。在(zài)操作條件中(zhōng)設定溫(wēn)度爲300k,重(zhòng)力沿y軸負方向(xiàng)爲9.8m/s2。管道入口均設置(zhì)爲(wèi)速度進口邊界條件，主(zhǔ)管道入口速度(dù)爲6.75m/s(流量:190.8m3/h)，摻混管(guǎn)道入(rù)口速(sù)度爲(wèi)3m/s(流量(liàng):21.2m3/h);主(zhǔ)管道和(hé)摻混管路入口初始(shǐ)湍流參數一緻，湍流強度(dù)爲5%，湍(tuān)流黏(nián)度比(bǐ)爲10。管道(dào)出口設(shè)置爲壓力出口(kǒu)邊界條件，出口(kǒu)回流湍流(liú)強度爲5%，回流(liú)湍(tuān)流黏(nián)度比爲10。水力直(zhí)徑爲0.1m。主(zhǔ)管道入(rù)口氣(qì)體爲純甲(jiǎ)烷，摻混管(guǎn)路入(rù)口氣體(tǐ)爲(wèi)純氫(qīng)氣。将初始(shǐ)内部(bù)工質設爲100%甲烷(wán)後進行混合(hé)初(chū)始化(huà)，最後(hòu)利用(yòng)simplec算法(fǎ)進行(háng)計算求解。
2結果與分(fèn)析
2.1不同匝數螺旋管的氣體(tǐ)流動分析
　　在工程(chéng)實踐(jiàn)過(guò)程中對氣體的摻(chān)混效(xiào)果進行評價時(shí)，一般認定(dìng)當摻(chān)混均(jun1)勻度μ≥95%時，氣(qì)體在微(wēi)觀(guān).上已(yǐ)達到摻(chān)混均勻(yún)叫。如kong等網以摻(chān)混均(jun1)勻度μ是否(fǒu)≥95%，來判定現有天然氣(qì)管道中摻入氫(qīng)氣是否摻混均(jun1)勻。氣體在(zài)傳輸擴散過程(chéng)中會(huì)改變氣體(tǐ)組分的(de)濃度分布，同時影響氣(qì)體流速(sù)分布。甲(jiǎ)烷和(hé)氫氣流經螺旋(xuán)管(guǎn)摻混管(guǎn)路時(shí)，會(huì)受(shòu)到強烈二(èr)次流以及(jí)高(gāo)濃(nóng)度差(chà)的影(yǐng)響，加速氣體擴(kuò)散，管路中(zhōng)的氣體最終向(xiàng)摻混均勻(yún)的方向發(fā)展。如(rú)圖2所示爲(wèi)摻混(hùn)管路(a，b，c，d)内氣體摻混(hùn)均(jun1)勻度與螺旋管出口(kǒu)截面(miàn)位置的關(guān)系。螺旋(xuán)管(guǎn)管路(lù)的氣(qì)體混(hùn)合均(jun1)勻性均随(suí)着管(guǎn)路匝數和摻混距離的增(zēng)加呈(chéng)現.上升趨勢。螺(luó)旋管路的匝(zā)數(shù)越多，摻混均勻所需的摻混距(jù)離越(yuè)短。摻(chān)混管(guǎn)路a和(hé)b分别在146d和(hé)69d時實現氣體摻(chān)混均勻(yún)。而(ér)當選(xuǎn)用匝數(shù)爲3圈的摻混(hùn)管路c時，在(zài)螺(luó)旋管出(chū)口3d的(de)距離，摻(chān)混均勻(yún)度已經達(dá)到摻混均勻的要求。由此(cǐ)可知，增加(jiā)螺旋管的匝數(shù)可以非常(cháng)有效(xiào)地縮(suō)短摻(chān)混距離，摻(chān)混管(guǎn)路c的效果已經非常(cháng)好。若再增(zēng)加匝(zā)數到(dào)六螺旋(摻(chān)混管路d)已(yǐ)無實(shí)際意義(yì)，反而會導緻(zhì)摻混均勻時的距離增加(jiā)到15d。
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　　爲了更清晰(xī)明了地觀察天(tiān)然氣摻(chān)氫(qīng)混摻管路(lù)(a，b，c,d)的摻混過(guò)程，以(yǐ)四(sì)種(zhǒng)摻混(hùn)管路的螺旋(xuán)管(guǎn)出口爲起(qǐ)始點(diǎn)，每隔(gé)1d設置一個(gè)監測截(jié)面(miàn)。本文(wén)得到數(shù)據均是(shì)瞬态仿(páng)真(zhēn)的(de)結(jié)果，在(zài)初始時刻(kè)氫氣摩(mó)爾(ěr)分數(shù)爲0，表示(shì)氫氣還(hái)沒擴散至指定(dìng)位置。如(rú)圖(tú)3所(suǒ)示(shì)摻混(hùn)裝置(zhì)c爲最佳摻混(hùn)模型，在(zài)15d截面(miàn)處(chù)，氫(qīng)氣摩(mó)爾分(fèn)數随注入(rù)時間，由0到9.8%的變(biàn)化過(guò)程(chéng)。氫氣流(liú)動擴散(sàn)1.03s後，初次達到(dào)摻混均勻時，在15d截面處瞬時氫(qīng)氣摩爾分(fèn)數爲3.9%。天然(rán)氣摻氫混摻管路a，b,c，d分(fèn)别經過3.92s，2.19s，1.50s，2.03s後，氫氣的濃(nóng)度(dù)等于進(jìn)口氫氣與甲烷(wán)的流量(liàng)比(仿真(zhēn)結果是(shì)取到9.8%)，表示氫(qīng)氣已擴散(sàn)至指定(dìng)位(wèi)置，并(bìng)達到(dào)穩态。圖4~圖(tú)7是天然氣(qì)摻氫混摻(chān)管路a、b、c、d分别在2.11s(146d截面處)、1.40s(69d截面(miàn)處)、1.03s(15d截面處)、1.37s(15d截面(miàn)處)時刻，摻(chān)混(hùn)管(guǎn)路在(zài)不同距離截面處(chù)的氫氣(qì)摩爾(ěr)分數雲圖(tú)，與(yǔ)穩态(tài)時(shí)的摩(mó)爾分數不同。
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　　如圖4所示(shì)摻(chān)混管(guǎn)路a在螺旋管路(lù)出口處渦流作用非常(cháng)劇(jù)烈，其(qí)分層現(xiàn)象(xiàng)明(míng)顯。且不同(tóng)于(yú)--般氫(qīng)氣的上下(xià)分層(céng)，摻混(hùn)管路a中管(guǎn)道中的(de)氫氣直(zhí)存在左右分(fèn)層(céng)，直至摻(chān)混距離(lí)在140d~150d達到摻混均(jun1)勻，此時氫氣摩爾分(fèn)數均約爲(wèi)0.8%。圖5所示(shì)摻(chān)混管(guǎn)路b的管路截面(miàn)氫氣濃(nóng)度分布(bù)變化(huà)規(guī)律與圖(tú)4相似，直至摻混(hùn)距離(lí)在65d~70d達到摻(chān)混均勻，氫氣基本不(bú)再(zài)分層，此(cǐ)時氫氣摩爾分數(shù)均約爲1.9%。而圖(tú)6所示的(de)摻混管路c在螺旋(xuán)管道(dào)出口處就(jiù)已經(jīng)基本(běn)達到摻混(hùn).均勻，氫氣已基(jī)本不存在分層，此時(shí)氫氣(qì)摩爾分數(shù)均(jun1)約爲3.9%。相(xiàng)比摻混(hùn)管路c的(de)三(sān)匝(zā)螺旋管，圖(tú)7所示摻混(hùn)管(guǎn)路d增加到六匝螺(luó)旋的摻混效果(guǒ)反而下(xià)降(jiàng)。螺旋(xuán)管道(dào)出口(kǒu)氫氣分層，直至摻(chān)混(hùn)15d時達到摻混均(jun1)勻，氫氣不再分(fèn)層，此(cǐ)時氫(qīng)氣摩爾分數約爲2.0%。
 
 
　　氣(qì)體摻混後(hòu)速(sù)度分布(bù)雲圖(tú)，如圖8所示，速度(dù)變化(huà)受匝(zā)數影(yǐng)響較(jiào)小。摻混管路a和(hé)b均約在15d之(zhī)後，摻(chān)混管路c約在10d之(zhī)後，速度等高線(xiàn)變得非常規則，越(yuè)來(lái)越趨近于(yú)圓形，而摻混(hùn)管路d約(yuē)在40d後能達(dá)到同(tóng)樣(yàng)效果。此(cǐ)時這(zhè)四(sì)種(zhǒng)類型(xíng)摻(chān)混管路内的(de)氣體速度(dù)已達到充(chōng)分(fèn)穩(wěn)流發展的(de)狀(zhuàng)态，之後(hòu)基本(běn)不再發生(shēng)變化。流速分布(bù)很.合理，距(jù)離管(guǎn)道中心線(xiàn)越近(jìn)其速(sù)度越(yuè)快，符合黏(nián)性定(dìng)律。
 
 
　　摻混管路(lù)(a，b，c，d)速度cov與(yǔ)截面(miàn)位置的關(guān)系如圖9所(suǒ)示。随(suí)着截(jié)面位置向(xiàng)下遊移動，摻混(hùn)管路(a，b,d)的速度cov一(yī)直處(chù)于波動狀态，但皆不超過(guò)15%。相比于a，b和d，摻混(hùn)管路(lù)c内氣(qì)體速(sù)度分(fèn)布更爲均勻，其(qí)速度cov-直穩(wěn)定在5%左右。綜合(hé)考慮氣體(tǐ)摻混(hùn)均勻度(dù)μ和速度cov,摻混管路c爲最(zuì)佳摻混模型。
 
2.2單(dān)螺旋結(jié)合變徑(jìng)管的氣體流動(dòng)分析(xī)
　　如圖10所示爲摻混(hùn)管路(e，f，g，h)的管路内氣體摻(chān)混均(jun1)勻度(dù)與截(jié)面位置(zhì)關系，摻混管(guǎn)路(lù)e，f，g，h是在單(dān)螺旋的基礎上(shàng)添加變徑(jìng)管(膨脹管或收縮管(guǎn))，分别在(zài)136d，132d,107d，96d處時實現氣(qì)體摻混均(jun1)勻。相比單螺旋(xuán)管的146d，在不同位(wèi)置添加任(rèn)何變(biàn)徑管(guǎn)均能在.不(bú)同程(chéng)度.上實現縮(suō)短摻混距離(lí)的效果。将(jiāng)變徑管置(zhì)于(yú)單螺旋(xuán)管之前(qián)氣體初(chū)步摻混後再進(jìn)入單螺旋管進(jìn)一步摻(chān)混，明顯(xiǎn)比置于(yú)單螺旋(xuán)管之後更能有(yǒu)效地縮短摻混(hùn)。而(ér)氣(qì)體進入收(shōu)縮管(guǎn)内流動速度會增大(dà)，此時(shí)的擾動更(gèng)加劇烈，有(yǒu)助于(yú)氣體(tǐ)摻混(hùn)。針對變徑(jìng)管位置(zhì)及類型(xíng)，摻混(hùn)管路(lù)h(即前收縮.管(guǎn))的摻混(hùn)效果(guǒ)更好(hǎo)。
 
本組(zǔ)所(suǒ)得(dé)數據(jù)是瞬(shùn)态仿真的結果(guǒ)，在初(chū)始(shǐ)時
刻氫(qīng)氣摩爾分數爲(wèi)0，表示(shì)氫氣還沒(méi)擴散至指定位(wèi)置。如圖11摻混裝置h爲最佳摻混(hùn)模型，在96d截面處(chù)，氫氣(qì)摩爾分數随注(zhù)入時間，由(yóu)0到9.8%的(de)變化(huà)過(guò)程(chéng)。氫氣流動擴散(sàn)1.53s後，初次(cì)達到摻混均(jun1)勻(yún)時(shí)，在96d截(jié)面處瞬(shùn)時氫氣(qì)摩爾分數爲1.6%。天(tiān)然氣(qì)摻氫(qīng)混摻(chān)管路e，f，g，h

　　分别經過(guò)3.06s，2.95s，2.94s，2.48s後，氫氣(qì)的(de)濃度(dù)等于進口氫氣(qì)與甲(jiǎ)烷的(de)流量(liàng)比(仿真結果是(shì)取到9.5%)，表(biǎo)示(shì)氫氣(qì)已擴散至(zhì)指定位置，并達(dá)到穩(wěn)态。圖(tú)12~圖(tú)15是天然(rán)氣摻氫(qīng)混(hùn)摻管路e，f，g，h分别在1.91s、1.89s、1.69s、1.53s時刻(kè)，摻混管路(lù)在不(bú)同距離截面處(chù)的氫氣摩爾分(fèn)數雲圖，與(yǔ)穩态(tài)時的(de)摩爾分數不同。.
 
 
　　對比圖12~圖(tú)15，四種類(lèi)型摻混管路(lù)的(de)管道截(jié)面氫氣(qì)濃度變(biàn)化規律很相似(sì)。在螺(luó)旋管道出口.處(chù)氫(qīng)氣(qì)均存(cún)在明顯的左右分層現(xiàn)象。但随(suí)着距離(lí)的增加(jiā)，最終(zhōng)均能達到(dào)摻混均勻，氫氣(qì)基本(běn)不再有分(fèn)層的狀(zhuàng)态。但不同類型(xíng)管道達到此狀(zhuàng)态所需(xū)的(de)距(jù)離(lí)不一。如(rú)圖12所示摻混管(guǎn)路e需約130d~140d的距離(lí)才能達到此狀(zhuàng)态，此時氫氣摩(mó)爾分數約爲0.9%;圖13所示(shì)的(de)摻混管(guǎn)路f同樣(yàng)需(xū)約130d~140d的距離(lí)達(dá)到(dào)此狀(zhuàng)态，此(cǐ)時氫氣摩(mó)爾分數(shù)比摻混(hùn)管路e略(luè)大，約爲1%;圖14所示的摻混(hùn)管路g需約100d~110d的距(jù)離達(dá)到此狀态(tài)，此時氫氣(qì)摩爾(ěr)分數約爲(wèi)1.2%;圖15所(suǒ)示的摻混管路(lù)h需約90d~100d的距離達到此(cǐ)狀态，此時(shí)氫氣(qì)摩爾分數(shù)約爲1.6%。
氣體摻混(hùn)後速度分布雲(yún)圖如圖(tú)16所示。管(guǎn)道尺(chǐ)寸(cùn)的變化(huà)會導緻内(nèi)部的(de)氣體流動速(sù)度(dù)突變，使得氣體速度穩定(dìng)下來(lái)所需(xū)的距(jù)離更(gèng)遠。摻(chān)混(hùn)管路e，f，g，h均(jun1)在約30d之後，速(sù)度等高線形(xíng)狀穩(wěn)定下(xià)來，比單螺旋管(guǎn)(15d)的(de)截(jié)面距離大一倍。
 

　　摻混管路(lù)(e，f，g，h)速度cov與截(jié)面位置的(de)關系如圖17所(suǒ)示。初始(shǐ)截面位置時,摻混管路(lù)(e，h)的速度(dù)cov最大，約爲17%。而随(suí)着截面位(wèi)置向(xiàng)管道的下遊移(yí)動，這四(sì)種類型的(de)摻混(hùn)管(guǎn)路的(de)速度(dù)cov均穩定在(zài)8%附近。雖然四種(zhǒng)類型的(de)摻混管(guǎn)路最(zuì)終穩定時(shí)的cov差别很小，但(dàn)相比摻混(hùn)管路(lù)(e，f，g),摻混管路(h)的速(sù)度cov達到穩(wěn)定時(shí)所需(xū)的距離最(zuì)短(duǎn)，僅(jǐn)需(xū)10d。故(gù)摻混(hùn)管路h爲最佳摻(chān)混模型(xíng)。
 
　　本(běn)文設(shè)置爲10%的摻混比(bǐ)，穩态仿真(zhēn)的時(shí)候，組分(fèn)濃度隻(zhī)是依賴于進口(kǒu)流量比。但在瞬态仿(páng)真(zhēn)的(de)時候(hòu)，組分濃度不僅(jǐn)依賴于進口流(liú)量比，還跟流體(tǐ)的運動時間、狀态有關。瞬态計算中，發展階段(duàn)變化屬(shǔ)于介質(zhì)置換過程(chéng)(初始(shǐ)管内全部甲烷(wán))，詳細(xì)讨(tǎo)論各摻混管(guǎn)路的氫氣(qì)濃度演化的過(guò)程。而達到穩定(dìng)後，沿程的變化(huà)特征(zhēng)反(fǎn)映的是(shì)氫氣和甲烷分(fèn)層(céng)及其滑移效(xiào)果，氫氣(qì)密度小(xiǎo)，相同截面間壓(yā)差會有(yǒu)更大的流動(dòng)速度，摩爾濃度(dù)小于(yú)進口(kǒu)流量直接(jiē)計(jì)算(suàn)值。通(tōng)過對(duì)比在(zài)相同(tóng)截面位置(zhì)的摻(chān)混管(guǎn)路a氫濃(nóng)度(圖4)對應速(sù)度(圖(tú)8)以及(jí)摻混管路e的氫濃度(dù)(圖12)對應(yīng)速(sù)度(圖(tú)16)分析(xī)可得:隻有(yǒu)當二者摻混均(jun1)勻後(hòu)，氣體組分(fèn)間相(xiàng)互(hù)作(zuò)用，均(jun1)質、同(tóng)速運(yùn)動，進(jìn)口流量直(zhí)接計(jì)算的摩(mó)爾濃度(dù)才與實際相符。計算結果氫氣(qì)摩爾濃度偏低9.8%(入口(kǒu)設置的10%)，正(zhèng)反映了非均勻(yún)摻混狀态，甚至(zhì)明顯(xiǎn)分層結構(gòu)下，氫氣流速高(gāo)過甲烷，存在明顯介(jiè)質間滑移(yí)現象這個事實。也進一步證明(míng)摻混效(xiào)果對真實速度(dù)正确和(hé)正确測量(liàng)的必(bì)要性(xìng)。
2.3适應性條(tiáo)件
　　隻有當混合(hé)氣體(tǐ)摻(chān)混均勻(yún)，且管(guǎn)道内氣體(tǐ)流(liú)速已達到充(chōng)分穩流的對稱(chēng)分布狀态時，才(cái)能保(bǎo)證超聲波(bō)流量計計量的(de)正确率。因(yīn)此，本文結(jié)合不同(tóng)結(jié)構的摻混(hùn)管路仿真模(mó)拟(nǐ)結果(guǒ)，保證超聲流量計計(jì)量正确率(lǜ)的推(tuī)薦(jiàn)安裝位(wèi)置如表2所示。由(yóu)表2可(kě)知螺旋管的匝數(shù)以及變(biàn)徑管位置(zhì)對流(liú)量計安裝(zhuāng)距(jù)離(lí)的影響(xiǎng)最(zuì)大。
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3結論
　　爲研究不同(tóng)天然氣(qì)摻氫管路結構對超聲(shēng)波流量計安(ān)裝(zhuāng)距離(lí)的影響，本(běn)文針對不(bú)同匝(zā)數螺(luó)旋管路、單(dān)螺旋結合變徑(jìng)管路(lù)進行(háng)cfd仿(páng)真(zhēn)模拟，得(dé)到氫氣(qì)摩爾分(fèn)數(shù)雲圖(tú)以及反映其摻(chān)混均(jun1)勻度的μ和(hé)cov的變化規律，最(zuì)終得到(dào)最佳摻混模型(xíng)及(jí)超聲(shēng)波流(liú)量計(jì)安裝(zhuāng)距離。具體(tǐ)内容(róng)如下(xià)。
(1)對(duì)于不同(tóng)匝數(shù)螺旋管的氣體(tǐ)流動分析(xī),在0~20d間(jiān)μ的變化最爲劇(jù)烈，即此時(shí)氣體擾動最爲(wèi)劇烈，氣體(tǐ)摻混主要在這(zhè)一範(fàn)圍進(jìn)行(háng)。一(yī)般螺(luó)旋的(de)匝數越多(duō)，超聲流(liú)量計安裝距離越(yuè)短。當增加(jiā)到(dào)三螺旋時僅(jǐn)需15d。此後再(zài)增加(jiā)匝數已無(wú)實際意義，增加(jiā)到六螺旋時的(de)超聲流(liú)量(liàng)計安(ān)裝距(jù)離仍爲15d。.
(2)對(duì)于單螺旋結合變徑管的氣體(tǐ)流動分析，在0~25d間(jiān)μ的變(biàn)化(huà)最爲劇(jù)烈，此範圍(wéi)氣體(tǐ)摻(chān)混(hùn)效率更好(hǎo)。相比變徑管的(de)類型，其安(ān)裝位置明顯對(duì)超聲流量(liàng)計安(ān)裝距(jù)離影(yǐng)響更大。同(tóng)樣的膨脹管安(ān)裝在前端(107d)比後(hòu)端(136d)所(suǒ)需的(de)距離(lí)少19d，同(tóng)樣的收縮管安(ān)裝在前端(duān)(96d)比後端(duān)(136d)所需的距離少26d。而(ér)同樣(yàng)位置(zhì)的不(bú)同類(lèi)型變(biàn)徑管，其超聲流量計(jì)安裝(zhuāng)距離(lí)差異性較(jiào)小。
(3)不同匝(zā)數螺(luó)旋管下，摻(chān)混裝(zhuāng)置c爲最佳摻混(hùn)模型，氫氣流動(dòng)擴散初次達到摻混(hùn)均勻度μ時(shí)，在15d截面處(chù)瞬時氫氣摩爾分數(shù)爲3.9%;單螺旋管結(jié)合變徑管下，摻(chān)混管(guǎn)路h爲最佳摻混(hùn)模型(xíng)，氫氣(qì)流動(dòng)擴散初次(cì)達到(dào)摻混均勻(yún)度μ時，在96d截(jié)面處(chù)瞬時(shí)氫氣(qì)摩爾(ěr)分數(shù)爲1.6%。

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