高速膨胀天然气凝结流动特性

结合气、液相流动控制方程组、内部一致经典成核理论、Gyarmathy液滴生长模型、液滴表面张力模型、k ω湍流模型及NIST真实气体模型,对自行设计的Laval喷管内天然气自发凝结流动过程进行数值模拟研究。结果表明,在Laval喷管扩张段内,随着过冷度的增大,将发生甲烷气体凝结成核及生长现象。对于固定出口马赫数的喷管,更低入口温度或更高入口压力将使凝结发生在更靠近喉部处,且液滴成核率最大值及气体湿度均更大;比热比值将随入口温度的降低或入口压力的升高而增大,导致压降及温降增大,较低的入口温度或较高入口压力将使出口温度或出口压力低于三相点,可能导致气体无法液化。随着压比的增大,喷管内产生了激波,且逐渐向入口方向移动;激波产生后液化环境随即被破坏,湿度立即变为0。喷管出口马赫数增大对液滴成核率影响较小,能促进液滴生长过程,但过大马赫数可能导致气体无法液化。喷管出口处气体未达到热力学平衡状态时,可在直管段内继续凝结,同时压缩波和摩擦效应将使得液滴气化。各入口条件下,甲烷气体在喷管出口处湿度均低于0.1,液化效率较低。     

超声速喷管内CO2气体凝结特性研究

基于欧拉———欧拉双流体模型,建立气相及液相流动控制方程组,结合凝结成核与液滴生长理论,对喷管内CO_2气体的凝结特性进行了数值模拟研究。结果表明,采用的数学模型和数值计算方法可较准确地反映喷管内气体的凝结流动过程。CO_2气体凝结潜热较小,凝结冲波现象不明显;气体进入喷管特别是在经过喉部之后,在马赫数增大的同时,压力和温度降低,过冷度增加,最大可至30K左右,并于凝结发生后快速下降至约5K;CO_2气体成核过程在时间和空间上表现出急剧性。凝结起始位置距喉部约2.21mm,成核率由0激增至2.04×10~(21)m~(-3)·s~(-1),液滴数目达到10~(15)的数量级;凝结核心形成后,气体分子在一定的过冷度下在液滴表面团聚、液化,液滴半径和湿度迅速增加。成核过程结束后,已有凝结核心仍能不断生长,至喷管出口处液滴半径增至1.46×10~(-7 )m,湿度可达0.093 5。     

Laval喷管内二氧化碳凝结过程研究

设计Laval喷管结构,结合内部一致经典成核理论和Gyarmathy液滴生长理论,建立超声速凝结相变欧拉双流体数学模型,对超声速流动条件下天然气中二氧化碳气体的凝结过程进行数值模拟研究,并分析入口二氧化碳摩尔分数对凝结过程的影响。结果表明,气体进入喷管后高速膨胀,温度降低,二氧化碳气体在喷管扩张段发生自发凝结现象,凝结核在短距离内急剧产生,液相质量分数持续增加,直至喷管出口;入口气体中二氧化碳摩尔分数从0.05增至0.14,凝结起始位置前移6.82mm,极限成核率和液滴数量减少,液滴生长速率加快,液滴粒径增加,喷管出口液相质量分数由0.1238增至0.1991;不同入口二氧化碳摩尔分数下喷管出口二氧化碳液化率均高于60%,出口气相中二氧化碳摩尔分数较入口大幅降低,入口二氧化碳摩尔分数小于0.10时,出口均可降低到0.03以下。     

三组分气体超声速凝结过程数值模拟与实验研究

结合液滴成核与生长模型,以及气、液流动控制方程建立了超声速凝结流动数学模型,对空气+水+乙醇三组分（双可凝）气体超声速流动条件下凝结特性进行了数值计算,研究了三组分气体超声速凝结特性影响因素,通过与空气+水双组分（单可凝）气体对比,分析了第二种可凝组分对凝结成核的影响,并开展了实验验证与对比分析。结果表明：随着三组分气体中乙醇含量的升高,Laval喷管内成核率、液滴数均增大,但成核区收窄,液滴生长区向前移动;在入口可凝气体为饱和状态下,升高入口温度与压力均能促进凝结的发生,使Wilson点向喉部移动,进而提高出口气体湿度;与双组分气体相比,三组分气体发生凝结的Wilson点更靠近喉部,出口湿度更大,说明三组分气体发生凝结时,两种可凝气体的凝结过程是相互促进的;Laval喷管沿程压力及Wilson点测试结果与数值计算结果吻合较好,说明所建立的数学模型具有较高的准确性。     

Laval喷管内甲烷-乙烷混合气体低温液化特性

为明确Laval喷管内甲烷-乙烷低温液化特性,获得天然气超声速液化过程中的流动与凝结参数,建立了甲烷-乙烷混合气体超声速凝结流动数学模型,开展了双可凝组分气体凝结相变实验验证,对比分析了凝结流动与等熵流动条件下的流场特性,并重点研究了甲烷-乙烷混合气体低温液化特性,结果表明:凝结相变发生之后,甲烷-乙烷混合气体流动过程中产生了微弱的凝结激波,相比于等熵膨胀过程,Laval喷管出口压力、温度升高,马赫数降低;凝结核数量在很短距离内从0急剧上升至最大值0.879×10~(21)m~(-3)·s~(-1)(约x=0.139m处);Laval喷管可获得的最大液滴半径4.476×10~(-7)kg~(-1),最大液滴数目4.462×10~(14)m~(-3),最大液相质量分数6.089%。     

天然气中硫化氢超声速凝结特性

基于欧拉-欧拉双流体模型,结合凝结相变理论建立气体自发凝结数值模型,对所设计Laval喷管内硫化氢气体的自发凝结特性进行模拟研究,分析入口压力、温度及背压对凝结过程的影响。结果表明：气体高速膨胀产生的低温效应使天然气中硫化氢气体发生自发成核及液滴生长现象,气相中硫化氢含量随之降低;增大入口压力或降低入口温度将使凝结发生位置前移,促使更多的硫化氢从气相中凝结出来,过低的入口压力或过高的入口温度将使硫化氢气体无法在喷管内完成自发成核过程。随着背压的升高,激波在喷管内产生并逐渐前移,激波的产生会破坏凝结所需冷凝环境,造成凝结液滴的再蒸发,应合理选择背压以避免激波对硫化氢气体凝结过程的影响。     

旋流对二氧化碳超声速凝结特性的影响

为了研究旋流对超声速喷管中CO₂凝结特性的影响,基于气-液两相流动控制方程、凝结模型和CO₂表面张力模型,建立了CO₂-CH₄二元混合气体旋流凝结流动的数学模型,模拟了CO₂在超声速喷管中的旋流凝结过程。数值结果表明：在旋流流动过程中,CO₂凝结成核过程中释放大量潜热传递给周围介质,使过冷度迅速下降,气体重新达到平衡状态,此时气体过冷度依然大于0,为液滴的生长创造了良好的环境。强旋流和壁面边界层的存在导致凝结参数沿喷管径向分布不均匀,并且增加旋流强度会增大液滴碰撞几率和喷管液化效率,但旋流强度增大同样会限制气体膨胀特性和喷管过流能力。     

提高喷管内天然气液化效率的方法

结合气、液相流动控制方程组,利用数值模拟计算,研究了利用非均质凝结及两级超声速旋流分离装置以提高天然气液化效率的可行性。结果表明,非均质凝结过程中,外界核心的存在能够有效降低气体凝结过程中的自由能障,促进液滴的凝结及生长;随着外界核心浓度的增大或外界核心半径的减小,喷管内自发凝结过程逐步被抑制,非均质凝结逐步占据主要地位;外界核心浓度的增大有利于凝结过程的发生,同时外界核心半径不能过大,外界核心半径大于1×10-7m时,不发生非均质凝结。外界核心浓度为1×1017/kg、外界核心半径为1×10-9m时,出口湿度较自发凝结过程湿度增加8217%,提高了喷管内天然气液化效率。结合流量函数方法,设计了第1级超声速旋流分离装置的扩压段,在此基础上设计了两级液化过程,其综合湿度为0107,较第1级单独使用时提高15513%,较第2级单独使用时提高3198%。两级液化装置较单级液化装置有更好的天然气液化效果。     

三组分混合物超音速凝结机理

为了解天然气混合物中水蒸气、重烃在喷管内的凝结机理,明确其液滴成核与液滴生长的基本规律,研究了甲烷 水蒸气 壬烷三组分混合物在喷管内的超音速凝结过程。首先在已有双组分混合物超音速凝结数学模型的基础上,结合国外最新研究成果,建立了三组分混合物在喷管内的超音速凝结过程物理模型;然后根据双组分混合物的超音速凝结模拟结果,建立了三组分混合物在喷管内的超音速凝结过程数学模型并进行了模拟计算。结果表明,在甲烷-水蒸气-壬烷混合物中,水蒸气较早出现自发凝结现象（x = 4.0 mm）,并且形成的水滴充当了壬烷蒸气发生凝结的外界核心,降低了壬烷蒸气发生凝结的自由能障,促使壬烷蒸气在过冷度38.3K和过饱和度37.4下就发生凝结现象,即水蒸气的存在在一定意义上促进了壬烷蒸气的凝结。     

收缩-扩张喷管内高含硫天然气超声速流动特性研究

为明确采用收缩-扩张喷管来实现天然气中H2S气体凝结与液化的可行性,对CH4-H2S双组分在收缩-扩张喷管中超声速流动液化过程进行了理论研究与数值模拟。运用流体力学计算软件,结合流动控制方程,分析了入口压力和出口背压对混合气体流动特性的影响。研究结果表明:适当提高入口压力,将使CH4-H2S双组分临界液化温度和压力降低,且停留在气液两相区和液相区的范围增大,促进H2S气体的凝结;随着出口背压(压比)的不断增大,产生激波的位置逐渐向收缩-扩张喷管喉部方向移动,收缩-扩张喷管轴线处的压力和温度波动更加剧烈,破坏了凝结所需要的制冷环境,不利于H2S气体的凝结;当出口背压在60%以上时,制冷环境被完全破坏,H2S气体不能实现凝结。