文丘里管内湿天然气两相流流动特性数值研究

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利用文丘里流量计测量湿天然气流量时不同于单相流体,少量液相的存在会使所测得的差压比纯单相气体流动时的差压要高,导致气相流量测量值偏高。迄今为止,对于文丘里管流量测量的研究从未间断,产生了许多流量预测模型,但是由于众多因素的限制,这些模型大部分都是在有限的条件下通过实验研究得到的,对于更高压力以及更大液相流量下的流动至今依旧没有研究透彻,模型预测误差较大,在现场使用中受到诸多限制。CFD可以对十分棘手的工程问题进行仿真模拟,研究实验中受条件限制所不能实现的部分。因此,本文基于数值模拟的方法对文丘里管内湿天然气流动特性进行数值研究。首先,运用Fluent软件采用欧拉(Eulerian)多相流模型和RNG-k-ε湍流模型对文丘里管内的湿天然气进行数值模拟,用氮气和煤油作为模拟工质代替湿天然气,通过比较英国国家工程实验室(NEL)的实验数据验证了数值模拟方法的可靠性。经过比较,数值模拟结果的相对误差在±5%以内,平均均方根误差在2.58%以内,数值模拟方法具有良好的可靠性。其次,针对直径为152.4 mm、喉径比为0.55、收缩角α为21°、扩张角γ为8°的文丘里管,对压力在8~15 MPa,XLM在0~0.3之间的湿天然气流动特性进行数值研究。通过模拟得到了文丘里管内湿天然气的压力和速度场,通过对液相体积分布的分析发现了文丘里管内湿天然气的流型主要为环状流或雾状流。最后,根据数值模拟结果,针对影响湿天然气流量虚高的因素做了分析,结果表明,气相弗劳德数和液相含率的增大会引起虚高值的升高,并且虚高值会随着气液密度比的增大而减小。为了获得更具有实际应用价值的流量预测模型,引入差压比值K参数,对Steven模型进行了改进,建立了针对本文工况范围和文丘里管尺寸的新流量预测模型,此模型只需测得差压比值和气液密度比即可求出虚高值,比传统虚高模型更加简洁方便。新模型的预测虚高值与数值模拟虚高值的平均均方根误差为1.89%,将新模型和其他针对文丘里管建立的模型进行对比发现:新模型的气相流量预测值与真实值的平均均方根误差为3.87%,在15 MPa高压力下较其他模型更优,并具有测量简便的优点。
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