天然气化工管道设备的CFD模拟

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DOI：10.16661/ki.1672-3791.2018.35.085
天然气化工管道设备的CFD模拟
①
毛玉海
(江苏中圣管道工程技术有限公司 江苏南京 211112)
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)-0085-02
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/cm 3，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，公称直径设置为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500m m，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/cm 3，定义流体的物理性质时设置液化天然气的密度为0.45g/cm 3，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。

①作者简介：毛玉海(1983—)，男，汉族，江苏南京人，本科，工程师，目前从事管道支吊架方面的设计与研究。

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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.
图1 进口流速0.5m/s
速度分布图
图2 进口流速1.5m/s
速度分布图
图3 进口流速0.5m/s
压强分布图
图4 进口流速1.5m/s
压强分布图
面的装配式建筑监管机制，就会对产品的质量进行重点管理。

3.2 对装配式建筑工程技术标准进行创新
在对国家政策进行完善之后，就应该对技术标准进行重点创新，要完善相关技术标准。

这样，才会为装配建筑技术的创新发展提供有力准备和支撑。

第一，要对建筑技术设计工艺进行重点创新和发展，形成技术集成体系，对技术标准进行全新升级和完善。

第二，要培养出更多的优质人才，主要是技术和管理层面。

这样才会为建筑的发展提供充足动力。

在我国的装配式建筑行业不断发展的情况下，要对其技术进行全面的优化和升级，让服务变得更加优质。

建筑中要着重关注预制件的质量，能够对其质量提出较高的要求，展现出一体化的发展模式。

比如，从尺寸和质量等多个层面出发，要完善规定，并以具体的装配式建筑情况作为出发点，保证其变得更加科学和完善。

3.3 对装配式建筑工程市场资源进行整合
在装配式建筑管理发展的过程中，市场成为了一个不可或缺的因素。

装配式建筑项目应该拥有一个比较完善的产业链，让管理项目的问题得到完善的解决和分析。

第一，就应该从市场角度出发，对其进行重点扩充，能够形成较高的生产效率，采取因地制宜的原则，并形成合理的发展形式。

这样，就会让装配式建筑得到稳定运行。

第二，还应该关注行业的生产标准，想要形成比较多的生产需求，就应该形成比较严格的管理模式。

第三，装配式建筑要展现出持续性发展模式。

在其中应该关注的内容以市场为准则，联合政府政策和地区的实际发展，为装配式建筑工程
的稳定运行提供一个十分明确的方向。

4 结语
综上所述，在现阶段城市化进程在不断加快。

在实际
城市运行的过程中，国家的多个行业都得到了发展和进步。

建筑行业在国家经济发展中产生了十分重要的影响，并占据了重要的地位和价值。

装配式建筑工程处于发展阶段，在建造的形式上依旧存在一定的问题。

在这个过程中，就应该对工程项目管理进行完善和升级。

同时，要对建筑工程市场的资源进行重点整合，还要完善技术标准。

以市场实际发展需求为前提的情况下，让装配式建筑工程项目管理发展朝着良好的方向运行。

参考文献
[1] 刘娟.装配式建筑的工程项目管理及发展问题的分析[J].四川水泥,2018(9):206.
[2] 张莉娜.浅谈装配式建筑工程项目管理评价指标体系建立[J].四川建筑,2018,38(4):250-252.
[3] 王越,孙正涛.装配式建筑的工程项目管理及发展问题[J].居舍,2018(3):102.
[4] 撖书培.装配式建筑项目中工程总承包模式的应用研究[J].建设监理,2017(12):36-38.
[5] 夏丽俊.装配式建筑的工程项目管理及发展问题研究[J].居舍,2017(34):177.
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