含硫天然气在节流阀内相变规律研究

【摘要】：节流阀作为天然气集输系统中流量和压力调节的常见设备,在节流膨胀制冷工艺中也起着重要的作用。通过节流阀天然气流动工况剧烈变化,发生节流效应,温度和压力降低,水蒸气和重烃组分以小液滴的形式逐渐析出,达到脱水脱烃的目的。因此,有必要对节流阀内工质的复杂流动进行研究,找出影响液滴析出及液滴大小的主要因素,为抑制和促进水和重烃组分的凝结提供指导作用。本文基于经典成核理论建立天然气组分自发凝结的成核模型,选取以Gyrmathy与Young为代表的热力学生长模型来建立液滴生长过程数学模型,并采用欧拉-欧拉方法建立节流阀内三维凝结流动控制方程。将标准化的数学模型中气相和液相控制方程的源相以UDF接口加入,将三个液相控制方程以UDS接口加入,实现Fluent软件对模型的模拟,通过拉阀尔喷管内凝结流动的数值模拟结果与实验值进行对比,检测到了凝结冲波的存在,验证了模型的正确性。利用GMBIT软件建立了节流阀的几何模型并完成了网格划分,采用四种网格模型模拟计算了甲烷与水蒸气在节流阀内三维凝结流动,完成了网格独立性的验证,选定了网格数为46万的网格模型进行模拟计算。通过节流阀内三维凝结流动的流场分析,发现靠近节流阀出口的节流孔更容易发生凝结。根据不同边界条件下对模拟结果的对比分析,得出进口温度的升高和背压比的减小都会使凝结产生的质量分数升高,液滴半径变小,背压比减小还使得凝结发生的位置提前,进口压力越高,液滴的半径和质量分数都变大。将甲烷与水和甲烷与重烃组分(壬烷)凝结流动对比,得出壬烷的凝结虽然晚于水的凝结,但产生的液滴半径和质量分数明显高于水。将甲烷与壬烷的混合气体添加硫化氢前后的凝结流动参数进行对比,发现混合天然气中含有硫化氢时,会使得壬烷凝结的液滴半径减小,液相质量分数也变小。 【关键词】：天然气 节流阀 液滴 凝结
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE974.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 节流现象11-13
• 1.2.1 节流过程11-12
• 1.2.2 节流效应12
• 1.2.3 节流膨胀的应用12-13
• 1.3 凝结流动理论13-15
• 1.3.1 凝结流动现象13-14
• 1.3.2 凝结流动规律14-15
• 1.4 凝结流动研究现状15-16
• 1.4.1 国外研究现状15-16
• 1.4.2 国内研究现状16
• 1.5 本文主要研究内容16-18
• 第二章 凝结流动数学模型的建立18-30
• 2.1 自发凝结成核模型18-20
• 2.1.1 临界成核半径18-19
• 2.1.2 液滴表面张力19
• 2.1.3 非等温修正因子19-20
• 2.2 自发凝结液滴生长模型20-24
• 2.2.1 液滴生长过程描述20-21
• 2.2.2 液滴生长的模型21-23
• 2.2.3 湍流模型23-24
• 2.3 热力学参数计算模型24-27
• 2.3.1 气体状态方程24-25
• 2.3.2 热力学参数的计算25-27
• 2.4 两相凝结流动控制方程组27-29
• 2.4.1 流体运动的描述方法27
• 2.4.2 控制方程组27-29
• 2.5 小结29-30
• 第三章 凝结流动模型求解及验证30-42
• 3.1 UDF和UDS的介绍30-31
• 3.1.1 UDF（User-Defined Function）30-31
• 3.1.2 UDS（User-Defined Scalars）31
• 3.2 模型在Fluent中的实现31-34
• 3.2.1 控制方程在Fluent中的具体实现31-32
• 3.2.2 模型在Fluent中计算的流程32-34
• 3.2.3 运行的步骤34
• 3.3 数值模型的验证34-41
• 3.4 小结41-42
• 第四章 节流阀几何建模及网格划分42-53
• 4.1 节流阀种类42-44
• 4.2 节流阀几何建模44-45
• 4.3 模型的网格划分45-47
• 4.3.1 划分网格的方法45-46
• 4.3.2 网格模型46-47
• 4.4 网格独立性分析47-51
• 4.4.1 网格独立性47-48
• 4.4.2 网格无关性验证48-51
• 4.5 小结51-53
• 第五章 节流阀内天然气组分凝结规律53-70
• 5.1 节流阀内流场分析53-56
• 5.2 边界条件对凝结质量分数的影响56-65
• 5.2.1 进口温度的影响56-59
• 5.2.2 进口压力的影响59-62
• 5.2.3 背压比的影响62-65
• 5.3 烃类组分凝结流动规律研究65-69
• 5.3.1 水与壬烷凝结规律的对比65-67
• 5.3.2 硫化氢对壬烷凝结的影响67-69
• 5.4 小结69-70
• 第六章 结论与展望70-72
• 参考文献72-76
• 致谢76

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