含硫天然氣在節(jié)流閥內(nèi)相變規(guī)律研究

【摘要】：節(jié)流閥作為天然氣集輸系統(tǒng)中流量和壓力調(diào)節(jié)的常見設(shè)備,在節(jié)流膨脹制冷工藝中也起著重要的作用。通過節(jié)流閥天然氣流動工況劇烈變化,發(fā)生節(jié)流效應(yīng),溫度和壓力降低,水蒸氣和重烴組分以小液滴的形式逐漸析出,達到脫水脫烴的目的。因此,有必要對節(jié)流閥內(nèi)工質(zhì)的復(fù)雜流動進行研究,找出影響液滴析出及液滴大小的主要因素,為抑制和促進水和重烴組分的凝結(jié)提供指導(dǎo)作用。本文基于經(jīng)典成核理論建立天然氣組分自發(fā)凝結(jié)的成核模型,選取以Gyrmathy與Young為代表的熱力學生長模型來建立液滴生長過程數(shù)學模型,并采用歐拉-歐拉方法建立節(jié)流閥內(nèi)三維凝結(jié)流動控制方程。將標準化的數(shù)學模型中氣相和液相控制方程的源相以UDF接口加入,將三個液相控制方程以UDS接口加入,實現(xiàn)Fluent軟件對模型的模擬,通過拉閥爾噴管內(nèi)凝結(jié)流動的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗值進行對比,檢測到了凝結(jié)沖波的存在,驗證了模型的正確性。利用GMBIT軟件建立了節(jié)流閥的幾何模型并完成了網(wǎng)格劃分,采用四種網(wǎng)格模型模擬計算了甲烷與水蒸氣在節(jié)流閥內(nèi)三維凝結(jié)流動,完成了網(wǎng)格獨立性的驗證,選定了網(wǎng)格數(shù)為46萬的網(wǎng)格模型進行模擬計算。通過節(jié)流閥內(nèi)三維凝結(jié)流動的流場分析,發(fā)現(xiàn)靠近節(jié)流閥出口的節(jié)流孔更容易發(fā)生凝結(jié)。根據(jù)不同邊界條件下對模擬結(jié)果的對比分析,得出進口溫度的升高和背壓比的減小都會使凝結(jié)產(chǎn)生的質(zhì)量分數(shù)升高,液滴半徑變小,背壓比減小還使得凝結(jié)發(fā)生的位置提前,進口壓力越高,液滴的半徑和質(zhì)量分數(shù)都變大。將甲烷與水和甲烷與重烴組分(壬烷)凝結(jié)流動對比,得出壬烷的凝結(jié)雖然晚于水的凝結(jié),但產(chǎn)生的液滴半徑和質(zhì)量分數(shù)明顯高于水。將甲烷與壬烷的混合氣體添加硫化氫前后的凝結(jié)流動參數(shù)進行對比,發(fā)現(xiàn)混合天然氣中含有硫化氫時,會使得壬烷凝結(jié)的液滴半徑減小,液相質(zhì)量分數(shù)也變小。 【關(guān)鍵詞】：天然氣 節(jié)流閥 液滴 凝結(jié)
【學位授予單位】：中國石油大學(華東)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TE974.3
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 課題背景10-11
• 1.2 節(jié)流現(xiàn)象11-13
• 1.2.1 節(jié)流過程11-12
• 1.2.2 節(jié)流效應(yīng)12
• 1.2.3 節(jié)流膨脹的應(yīng)用12-13
• 1.3 凝結(jié)流動理論13-15
• 1.3.1 凝結(jié)流動現(xiàn)象13-14
• 1.3.2 凝結(jié)流動規(guī)律14-15
• 1.4 凝結(jié)流動研究現(xiàn)狀15-16
• 1.4.1 國外研究現(xiàn)狀15-16
• 1.4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀16
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容16-18
• 第二章 凝結(jié)流動數(shù)學模型的建立18-30
• 2.1 自發(fā)凝結(jié)成核模型18-20
• 2.1.1 臨界成核半徑18-19
• 2.1.2 液滴表面張力19
• 2.1.3 非等溫修正因子19-20
• 2.2 自發(fā)凝結(jié)液滴生長模型20-24
• 2.2.1 液滴生長過程描述20-21
• 2.2.2 液滴生長的模型21-23
• 2.2.3 湍流模型23-24
• 2.3 熱力學參數(shù)計算模型24-27
• 2.3.1 氣體狀態(tài)方程24-25
• 2.3.2 熱力學參數(shù)的計算25-27
• 2.4 兩相凝結(jié)流動控制方程組27-29
• 2.4.1 流體運動的描述方法27
• 2.4.2 控制方程組27-29
• 2.5 小結(jié)29-30
• 第三章 凝結(jié)流動模型求解及驗證30-42
• 3.1 UDF和UDS的介紹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中的實現(xiàn)31-34
• 3.2.1 控制方程在Fluent中的具體實現(xiàn)31-32
• 3.2.2 模型在Fluent中計算的流程32-34
• 3.2.3 運行的步驟34
• 3.3 數(shù)值模型的驗證34-41
• 3.4 小結(jié)41-42
• 第四章 節(jié)流閥幾何建模及網(wǎng)格劃分42-53
• 4.1 節(jié)流閥種類42-44
• 4.2 節(jié)流閥幾何建模44-45
• 4.3 模型的網(wǎng)格劃分45-47
• 4.3.1 劃分網(wǎng)格的方法45-46
• 4.3.2 網(wǎng)格模型46-47
• 4.4 網(wǎng)格獨立性分析47-51
• 4.4.1 網(wǎng)格獨立性47-48
• 4.4.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證48-51
• 4.5 小結(jié)51-53
• 第五章 節(jié)流閥內(nèi)天然氣組分凝結(jié)規(guī)律53-70
• 5.1 節(jié)流閥內(nèi)流場分析53-56
• 5.2 邊界條件對凝結(jié)質(zhì)量分數(shù)的影響56-65
• 5.2.1 進口溫度的影響56-59
• 5.2.2 進口壓力的影響59-62
• 5.2.3 背壓比的影響62-65
• 5.3 烴類組分凝結(jié)流動規(guī)律研究65-69
• 5.3.1 水與壬烷凝結(jié)規(guī)律的對比65-67
• 5.3.2 硫化氫對壬烷凝結(jié)的影響67-69
• 5.4 小結(jié)69-70
• 第六章 結(jié)論與展望70-72
• 參考文獻72-76
• 致謝76

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