带汇管的天然气管路对流量计量性能的影响研究

天然气准确计量直接影响开发、运行、配给和用户等各方的经济利益,而管路结构是影响天然气流量计量准确性的主要因素。以带汇管的天然气管路为研究对象,采用数值模拟和实验测量的方法,分别对汇管采用不同的进出口方式以及是否在其下游加装板式整流器的各种管路结构内的流场进行研究,结果表明,汇管进出口错开且无整流器的管路结构在汇管下游恢复到充分发展的湍流断面需要的长度最长,而汇管进出口相对且有整流器的管路结构则在整流器下游恢复到充分发展的湍流断面需要的长度最短。对管路结构对天然气流场影响规律的研究可直接指导天然气管路结构设计及流量计选择合理的安装位置。     

整流器对天然气管道内计量段流动影响的数值模拟

天然气计量准确度受管内流场影响大。首次采用数值模拟方法,以加带扩散管的管路为例,对其在加装不同整流器时的管内流场进行计算。计算结果表明,扩散段引起的流动不均匀区域延伸至下游17倍管径左右,整流器作用明显,加板式整流器和管式整流器后,管内主流速度在整流器下游恢复均匀稳定的距离依次为12倍直径和6倍直径左右。研究结论对于流量计的选择、现场安装具有指导作用,为提高天然气计量准确度的研究提供了一种新的方法。     

柴油机MPC排气系统三维湍流流动数值计算

利用三维流动数学模型，对内燃机不同进气条件下MPC排气系统商气体流场进行了模拟计算，得出了其流动规律，并分析了原因。在只有支管进气的条件下，支管入流对MPC系统流场分布起主要作用，总管封闭端和支管入口下游附近，存在回流；总管和支管同时进气时，总管中回流消失或大大减弱，总管内速度分布较均匀，支管流动的影响减弱；不论那种人流方式，在支管入口下游，总管垂直与主流方向截面均存在两个对称的较强的2次流，是引起气体能量损失的主要原因。该2次流是由MPC系统结构所造成的。     

T形多分支管气液两相分流特性的数值模拟

T形多分支管分离器含有复杂多分支结构,广泛应用于两相及多相流研究中。借助流体模拟仿真工具Fluent,模拟了不同时刻T形管中油气两相流动情况,得到了各分支管内油气分离特性及进出口处的质量流量数据。结果表明,当油气两相混输液流经T形管时,重力的作用使管道中的油气两相分布不均匀;随着时间的增加,顶部汇气管的输出物大部分为气体,而下方汇油管的输出物大部分为液体,从而实现油气的初步分离。选取分支管高度不同的T形管进行仿真,分析其油气分离现象的特性;再选取不同的T形管主管入口流速,观察入口流速对油气分离现象的影响;最后,通过观察各管道的湍流旋涡结构和流场特性,研究湍流拟序结构在相同结构处的规律性和重复性的特点,以及分支管高度对流型和湍流旋涡的影响。     

层流管流耦合换热对流体热边界条件的影响

通过对管外壁非均匀加热/冷却条件下层流管内受迫流动热入口段内流体与管壁间耦合传热的分析计算,研究了试件几何尺寸、试件与流体物性参数及流体流动状态对管内流体内管壁处热边界条件均匀性的影响,并就如何选择试验管段材料和尺寸以提高实验精度给出了原则性建议. 结果表明,管壁导热与管内流体间的耦合作用对内管壁处流体的热边界条件有着重要的影响. 影响流体热边界条件均匀性的主要量纲一的量是数、管壁材料的相对导热系数、实验段相对加热长度和管壁相对厚度.     

基于Fluent的烧结烟气循环系统设备-烟气分配器数值模拟

在烧结烟气循环系统运行过程中,烟气分配器中各支管流量分配不均会导致进入各烟气密封罩内烟气流量分配不均,进而影响各密封罩内负压平衡,导致烟气外溢,造成安全事故.利用Fluent模拟软件对烧结烟气循环系统设备-烟气分配器的流场进行了数值模拟.结果表明:主管管径变化会对烟气分配器各支管流量分配产生影响;沿烟气流动方向,由于支管的分流作用,流速逐渐减小,压力逐渐增大,各支管流量依次增大;变径结构会改善主管的流速与压力分布,从而使各支管流量达到均配,多级变径结构中流量比标准偏差STD最小,各支管流量分配更均匀,但变径结构会增加管路的进出口压降,增加系统阻力,变径越多,压降越大,阻力越大.     

不同管路元件流动声发射信号熵值量化分析方法

针对流体在流经不同管路元件时产生的噪声会造成管道损伤在线监测精准性下降的问题,引入了小波能量熵与时频熵两种熵值量化分析方法,通过计算流体流动声信号的熵值对流动过程中不同管路元件的流动状态进行量化,从而判断损伤是否发生以及损伤所处的管路元件部位.在此基础上,设计了管路流动声发射测试实验,采集了不同压力下直管、弯头入口、弯头出口、三通、变径管小头共5种管路元件的声发射信号,对所采集的声发射信号逐一采用时频熵及小波能量熵的方法分析计算.测试实验结果表明,时频熵与小波能量熵均能很好地区分不同管路元件的流动状态差异,且时频熵对同一管路元件压力变化时的流动状态有着较高的量化精度.     

T型集输管路油水两相流数值模拟

针对我国油田含水率较高的特点,建立油水两相均质流模型。采用有限体积法,压力速度耦合PISO算法对T型管内油水两相流动进行数值模拟,研究不同管径比对T型管路内局部阻力的影响。经计算得到T型管路内压力、速度的分布情况。结果表明,局部阻力最大的位置在主管和支管交汇处,明显大于交汇前后的摩擦阻力,而且不同管径比对交汇处的局部阻力损失影响很大,随着垂直支管管径的增大,局部阻力损失会相应增大。此外,由于交汇后的主管流量大于交汇前的主管流量,交汇后的摩擦阻力均大于交汇前的摩擦阻力。     

超声速边界层氢气喷注减阻研究

针对带有后向台阶的等截面受限空间,通过三维数值模拟,开展了超声速内流道边界层氢气喷注减阻的研究,分析对比了2.3Ma,2.8Ma来流条件下等质量氢气喷注、2.8Ma来流条件下氢气以当量比0.03,0.06,0.1喷注后近壁区流动特征以及壁面摩擦阻力的发展。研究表明边界层氢气喷注在2.3Ma和2.8Ma来流条件下可以达到13.5%左右的减阻效果。2.8Ma来流条件下,当量比为0.06时减阻效果最优,降幅为13.5%。气体的扩散与掺混沿流向逐渐加强,激波与边界层相互作用处掺混会被先加强后抑制,壁面剪应力在该位置伴随密度先降低后反弹呈现相同的变化规律。摩阻降幅沿流向也逐渐减弱,最佳的减阻区域内可达到将近60%的减阻收益。     

压力空气罐对火电厂补给水系统瞬态负压的防护研究

采用数学模拟方法进行了压力空气罐对火电厂补给水系统瞬态负压的防护计算研究，分析了空气罐内气体状态、初始气体容积、初始气体压力等参数对管路瞬态压力变化的影响。指出气体状态、初始容积、初始压力不仅影响瞬态压力大小而且影响瞬态压力波动周期，具有压力空气罐的输水系统水泵失电后其管线瞬态压力变化过程具有马鞍型形状，采用压力空气罐可有效保护火电厂补给水系统免遭瞬态压力破坏，其防护效果与空气罐安装位置及运行参数有关，空气罐愈靠近水泵出口，消除管路瞬态负压的作用愈显著。     

Three-phase flow of submarine gas hydrate pipe transport

In the hydraulic transporting process of cutter-suction mining natural gas hydrate, when the temperature-pressure equilibrium of gas hydrate is broken, gas hydrates dissociate into gas. As a result, solid-liquid two-phase flow(hydrate and water) transforms into gas-solid-liquid three-phase flow(methane, hydrate and water) inside the pipeline. The Euler model and CFD-PBM model were used to simulate gas-solid-liquid three-phase flow. Numerical simulation results show that the gas and solid phase gradually accumulate to the center of the pipe. Flow velocity decreases from center to boundary of the pipe along the radial direction. Comparison of numerical simulation results of two models reveals that the flow state simulated by CFD-PBM model is more uniform than that simulated by Euler model, and the main behavior of the bubble is small bubbles coalescence to large one. Comparison of numerical simulation and experimental investigation shows that the values of flow velocity and gas fraction in CFD-PBM model agree with experimental data better than those in Euler model. The proposed PBM model provides a more accurate and effective way to estimate three-phase flow state of transporting gas hydrate within the submarine pipeline.     

异径T型管道内油气分离过程数值模拟

气液两相流经T型管后,两相介质在各自分支管内相态分布不均,严重时支管内可能只有气体,而主管内为气液混合物。借助CFD软件数值模拟了不同时刻分支处的流动情况,得到了分支管内油气分离特性。结果表明：油气流经T型分支管时,会在支管处出现气液分离现象,离分支口越近,分离现象越明显;当距分支口一定距离时,几乎没有分离现象。     

输气管网的静态仿真研究与系统设计

随着输气管网技术的不断发展,计算机仿真技术在输气管网上的应用也不断加大。把仿真模型与计算机模拟相结合,可以有效地应用到实际生产中,真实地表现天然气输气管网内气体的流动规律,确保天然气输气管网合理、优化地运行。在全面、系统地研究TGNET、SPS等软件的基础上,使用当前天然气物性计算最精确的方程式MBWRS状态方程,以及四阶龙格-库塔法(Runge-Kutte)来求解输气管网的稳定流动微分方程组。并以C#软件为工具,结合相关软件的优势,充分考虑初始和边界条件及输气管网的焦耳-汤姆逊效应等,开发了仿真软件,更适用于压缩机、管道、阀门、气田等组成的多气源任意管网。与TGNET软件相对比可知,计算结果可信度较高,可作为非稳态流动模拟的初始值,具有较高的工程应用价值。     

基于泛函理论分析输气管道不稳定流动

在天然气输送管网中,枝状管网是的一种常见的形式.针对天然气枝状管道系统的组成特征,采用系统分析的观点,将管道系统划分成一系列基本组成单元,建立单元中不稳定流动方程,并根据单元之间的关系,综合考虑相关的连接条件、边界条件以及初始条件,从而提出了整个系统的联立模型.然后基于泛函分析理论和算子级数法求解联立模型,得到了问题的广义解.该方法具有解析解和数值解的特点,当所划分的基本单元较大时,可以得到直观的近似解析解;当所划分的基本单元较小时,可以得到更准确的数值解.由于管道单元和时间步长的取值可长可短,这就提高了求解的灵活性.以此为基础,编制了计算机程序,并应用于四川某气田管网的实际模拟.通过分析和应用表明,其模型和算法具有计算方便,精度高,省时和适用范围广等优点.     

天然气管道带气开孔补强结构的应力分析

为了探讨天然气管道带气开孔特殊开孔补强结构受压后的应力情况,利用有限元分析软件对天然气管道带气开孔5种模型进行了有限元建模及应力场分析.5种模型分别为整补、方补、仅焊支管、先焊支管再焊圆形补强圈和先焊支管再焊方形补强片.分析结果显示：整补和方补最大应力位于接管与补强片连接拐角处,其他3种模型最大应力位于主管开孔边缘下表面拐角处;在支管直径与主管直径之比为2/3,管内压力为0.6 MPa时,5种模型的最大应力分别为53.324 MPa、52.878 MPa、59.006 MPa、48.662 MPa和34.806MPa.对于20号钢和Q235材料,补强结构受压后符合强度要求.整补和方补最大应力相差不足1MPa,整补模型的下半瓦片对开孔接管处的补强效果不明显,一般情况下采用方补即可;而先焊支管再焊补强件较整补和方补,最大应力下降较多,补强效果较好;先焊支管再焊方形补强片的补强效果最好,建议在带气开孔中采用此方式.     

油基体系下天然气水合物浆液流动实验研究

在多相流管输体系下,水合物浆液在流动过程中会遇到崎岖不平的地形地貌,此时采用倾斜管道显得尤为重要。因此,研究了天然气水合物浆液在倾斜管内的流动特性对堵塞管路的影响。在低温高压可视水合物实验环路上,开展了油基体系下油＋天然气的水合物堵管实验,探究了初始压力、初始流量等因素对天然气水合物浆液流动和堵管时间的影响。同时,利用实时在线颗粒测试仪,对水合物生成、流动及堵管过程中水合物颗粒的微观变化进行了分析。结果表明,随着初始压力增大,天然气水合物的诱导时间、生成时间和浆液流动时间均缩短,天然气水合物堵管趋势增大;随着初始流量增大,天然气水合物的诱导时间、生成时间和浆液流动时间均延长,天然气水合物堵管趋势减小。对水合物生成至堵管的过程以及堵塞机理进行了分析。对油基体系下天然气水合物堵塞管路的研究结果表明,在油基体系下可以通过减小初始压力、增大初始流量来有效地减小天然气水合物堵塞管路的概率。研究结果可为维持和保证天然气水合物在管道中的安全流动提供理论参考及依据。     

天然气管网经济效益研究与系统设计

我国天然气管网已经形成全国性供气网络,管网在保证全国供气的可靠性与连续性等方面具有重要意义。然而,管网存在诸多问题有待解决:天然气调度复杂、输配任务繁重;管网进出气点、分输点、管线、输配气场站数量众多;管径规格、压力等级差异大,现有调配制度仍以进出气平衡为主要标准,未能充分考虑用户、输气效益等问题。因此,研究了各管网公司管输费计算、最佳输气路线计算,并引入改进的单纯型法优化现有输气方案,同时开发出了相应软件便于工作人员使用,为该管网安全可靠经济的输气性运营提供支撑。