作者簡介：王凱，1982 年生，高級工程師，副教授；2009 年畢業於中國石油大學（北京）並獲得博士學位；主要從事油氣管道輸送及流動安全保障方向的研究工作。地址：（102617）北京市大興區清源北路19 號。ORCID: 0000-0002-0032-879X。
E-mail: wang_kai@bipt.edu.cn
王 凱1 謝 磊1 歐陽欣2
閆 鋒2 王海峰3 韓 濤3
1. 北京石油化工學院·深水油氣管線關鍵技術與
裝備北京市重點實驗室
2. 中國石油管道科技研究中心·
油氣管道輸送安全國家工程實驗室
3. 中國石油管道有限責任公司西氣東輸分公司銀川管理處
摘要:單流渦流管（SCVT）對傳統渦流管（RHVT）的結構進行了改進，在天然氣管道調壓系統的在線加熱方面具有較大的安全、節能優勢。為了使SCVT 技術能更好地適應天然氣管道系統的工況調整和環境溫度變化，基於前人關於RHVT 的研究成果，建立了SCVT 流場和溫度場計算模型，採用ICEM 和FLUENT 軟體分別對計算區域進行了結構化網格劃分和三維數值模擬；進而根據環道實驗數據對計算模型進行了驗證分析，針對SCVT 在典型工況下的切向運動、軸向運動、靜壓、靜溫、短路流等特性進行了數值模擬研究。研究結果表明：①流場由一系列沿熱端管方向流量不斷衰減的「短路流」構成；②流場結構存在著平行於管中心的能量分離界面，界面的軸向速度為0，靜壓不隨軸向位置變化，界面兩側的內、外旋流的軸向速度相反；③在靠近噴嘴的前半段，徑向方向的靜壓、靜溫、切向速度和軸向速度差異較大，能量分離效果顯著；④靜溫在管壁處最高，並沿著熱端管方向近似呈指數趨勢升高，較大的熱端管長徑比增大了與被加熱氣體之間的換熱面積，有利於提高SCVT 的加熱性能。結論認為，該研究成果可以為渦流管加熱技術的推廣應用提供技術支持。
關鍵詞:天然氣管道；調壓系統；渦流管；RHVT ；SCVT ；流場；溫度場；能量分離；加熱性能
1 研究背景
由於管道輸送天然氣的水露點較高，達到了生成天然氣水合物（以下簡稱水合物）的條件，致使天然氣管道站場生產運行過程中容易發生「冰堵」現象。目前，為了防止輸氣站的調壓裝置發生「冰堵」，應用電伴熱等外部熱源法加熱調壓閥的先導氣體，但存在著能耗高、維護繁瑣、安全隱患大、壽命短等諸多缺陷[1-4]。鑑於渦流管在安全和節能方面的優勢，中俄東線、西氣東輸等天然氣管道相繼開展了渦流管加熱器對調壓閥先導氣體在線加熱的可行性研究及現場應用試驗。渦流管（Ranque-HilschVortex Tube，RHVT）是一種結構簡單的能量分離裝置，在化工、電子、汽車等眾多領域得到了廣泛的應用[5-7]，國內外採用實驗和數值模擬等方法開展了較多的研究[8-15]。針對天然氣管道調壓系統先導氣在線加熱的需求和特點，美國環球渦流公司（UniversalVortex Inc.，UVI）對RHVT 進行了優化改造，提出了一種新型的天然氣單流渦流管（Single Circuit VortexTube，SCVT）（圖1）。SCVT 僅有一個進口和出口，高壓氣體進入渦流管後，經2 個噴嘴切向流入渦流室，在熱端管中作三維強旋湍流「折返」運動後全部由冷端管出口排出。SCVT 能夠將渦流管內氣體的熱量更高效地轉移至渦流管壁，以便利用其熱能對調壓閥先導氣體進行充分加熱[1-3]。由於SCVT 和RHVT 在結構方面存在著較大的差異，導致在內部流動與傳熱等方面呈現出許多不同的特點，但目前相關學術性研究報導鮮見。為了使渦流管加熱技術更好地適應天然氣管道系統的工況調整和環境溫度變化，筆者基於前人關於RHVT 的研究成果，採用數值模擬方法對SCVT 的流場和溫度場特性進行了研究。註：r 表示渦流管徑向方向坐標，m；Z 表示渦流管軸向方向坐標，m；R 表示渦流管內直徑，m；L 表示渦流管長度。
2 計算模型
SCVT 的物理模型如圖1 所示，其計算區域為雙噴嘴（正方形）、渦流室、熱端管和冷端管。噴嘴面積為16 mm2 ；熱端管孔徑為16 mm ；熱端管長度為475 mm ；冷端管孔徑為6.6 mm ；冷端管長度為15mm。在計算模型的驗證中，為與實驗介質保持一致，計算模型的氣體採用氮氣，而在流場與溫度場的結果分析中，將天然氣簡化為單質甲烷氣體。氮氣和甲烷的狀態方程均採用實際氣體的PR 狀態方程，其流動過程滿足質量、動量和能量守恆定律[12-15]。標準k-ε湍流模型是求解k 和ε 的基本方程模型，模型係數通過實驗擬合得到，適合完全湍流，可以處理黏性加熱、壓縮性等物理現象，穩定性好，故本研究採用該模型對渦流管內的流場開展研究[15]。利用FLUENT 軟體對渦流管流場和溫度場進行數值模擬，控制方程的離散採用有限體積法，壓力—速度耦合採用SIMPLE 算法，壓力方程為二階離散格式，密度方程為三階MUSCL 格式，動量、湍流動能、湍流耗散率以及能量方程都採用二階迎風格式，控制變量的收斂殘差限制為10－5。壓力和溫度等初始條件選擇「標準初始化」方式自動生成。邊界條件如下所列。1）入口邊界：各噴嘴條件相同，為壓力入口，入口總壓力（pi）為1 MPa，總溫度（Ti）為288.16 K。2）出口邊界：渦流管出口為壓力出口，出口壓力（po）為0.1 MPa。根據渦流管內三維強旋流動的特點，為兼顧計算速度和收斂性，採用ICEM 軟體對計算區域進行了結構化網格劃分，同時對邊界層進行了局部加密，以更好地捕捉流動變化劇烈區域的邊界特徵（圖2）。當網格總數達到100 萬後，基本取得網格無關解。3 模型驗證
渦流管環路實驗系統的流程如圖3 所示。系統的設計壓力為6 MPa，設計溫度為323 K，管徑為25mm，管長22 m 左右。實驗工質為氮氣，利用氮氣集裝格提供初始氣源，集裝格共16 瓶氮氣，單瓶氮氣的有效容積為80 L，壓力為10 MPa。利用增壓機實現氣體在不同壓比、溫度、氣量條件下的循環流動，增壓機的吸氣壓力介於1 ～ 6 MPa，排氣壓力低於10 MPa，額定流量為600 m3/h，功率為30 kW。不同工況的數值模擬結果和實驗測試結果如表1 所示。由表1 可見，數值模擬結果與實驗數據的變化趨勢一致，出口溫度的最大偏差在0.8 K 以內，兩者吻合較好，說明上述計算模型是合理的。在基於進出口壓力邊界條件下，數值模擬得出的質量流量比實驗結果高出20% ～ 30%，其主要原因為：①由於實驗的進出口壓力測取點距渦流管噴嘴及出口節流孔還有一定距離，且該區域附近流道的幾何形狀複雜，存在一定的壓力損失，而計算模型未能考慮這部分壓降；②測試的渦流管在盲端存在額外的熱氣通道，將一部分氣體直接返回到渦流室外側以抑制水合物的生成，計算模型未能考慮該部分的影響因素，所以得出的流量值偏高；③實驗採用的增壓設備為活塞式增壓機，其出口壓力並不十分穩定，導致渦流管進口壓力存在0.1 ～ 0.3 MPa 的波動，這也給流量預測精度造成了一定影響。表1 實驗數據和數值模擬結果對比表
4 結果分析
4.1 切向運動
氣體在渦流管內之所以呈現出能量分離效應，在於其高速螺旋運動所形成的「渦」，故而切向速度成為衡量渦流管流場特性的重要指標。根據切向速度大小產生的離心力，直接影響旋流的能量分離效率。SCVT 氣體的切向速度（v 切）如圖5 所示。圖5-a所示為不同無量綱軸向位置處切向速度的徑向分布，切向速度在渦流管軸心處最小（幾乎為0），沿徑向方向逐漸增大，在管壁附近達到最大值，然後由於管壁摩擦的影響迅速趨近於0。不同截面達到切向速度峰值的徑向位置基本相同，但峰值大小與截面的軸向位置密切相關，截面距渦流室距離越近，峰值越高，表明氣體旋轉動能轉化為內能的強度也越高。圖5-b 所示為不同無量綱徑向位置處切向速度的軸向分布，除軸心線的切向速度趨近於0 外，其他切向速度沿軸向近似呈負指數趨勢衰減，說明SCVT 的能量分離效果主要集中在靠近渦流室的前半段，這同RHVT 的氣體旋轉運動規律是一致的[8-9]。然而，當SCVT 用作對天然氣管道調壓裝置的先導氣體加熱時，適當增長軸向距離，儘管管壁溫度在後半段趨於穩定甚至略微下降，不能提高與先導氣體之間的溫差，但可以延長熱端管「高溫」部分的長度，增大同先導氣體之間的換熱面積，進而提高SCVT 的加熱性能，故而SCVT 設計的熱端管的管長與管徑比一般比RHVT 高出許多，在本研究中達到了30。需要特別指出的是，本文在FLUENT 的k-ε 湍流模型中，選擇了標準管壁函數，在r/R=1 處切向速度的模擬結果並不總是為0。從圖5-b 中可以看出，在靠近渦流室的強旋湍流區域，r/R=1.00 處的切向速度明顯高出了管中心（r/R=0）的切向速度，但仍顯著低於r/R=0.25 等其他徑向位置的切向速度。4.2 軸向運動
圖6 給出了SCVT 氣體的軸向速度（v 軸）分布。由圖6 可以看出，渦流場在徑向上存在軸向速度為0的滯止點，不同滯止點的徑向位置相同，其連線構成了軸向零速度包絡面，與圖4 中的能量分離界面相對應。包絡面兩側的氣體內旋流和外旋流的軸向速度相反，內旋流的軸向速度與出口方向一致，距管中心越近，軸向速度越大；外旋流的軸向速度與出口方向相反，距管壁越近，軸向速度越大，如圖6-a所示。內、外旋流軸向速度的絕對值沿軸向距離近似呈指數趨勢衰減，在管道軸向較遠處漸進趨於0。距渦流室越近，徑向方向的軸向速度差別越大，通過零速度包絡面的能量交換強度也越高。能量交換大部分集中在Z/L 小於0.5 區域內，如圖6-b 所示。這是同渦流場的流線特徵相吻合的。此外，氣體在渦流管內作三維螺旋運動，徑向運動也是渦流管熱質傳遞的主要途徑之一，模擬結果表明：徑向速度遠小於切向速度和軸向速度。這是單流渦流管特殊的幾何構型所造成的。4.3 壓力分布
渦流管內氣體的靜壓（p）分布規律與其運動特徵密切相關，旋轉運動產生徑向壓差，軸向運動產生軸向壓差，如圖7 所示。由於高速旋轉所產生的離心力，氣體靜壓由管壁向管中心不斷降低，距渦流室越近，旋轉運動越強烈，管壁與管中心的靜壓壓差就越大。當r/R ＜ 0.72 時，靜壓沿軸向不斷增大，在負壓差推動下，該區域內氣體以旋流方式流出渦流管；同理，當r/R ＞ 0.72 時，靜壓沿軸向逐漸減小，該區域內氣體以旋流方式流進渦流管；當r/R ≈ 0.72時，氣體在不同軸向位置處的靜壓相等，由於沒有差壓驅動，該徑向位置處的軸向速度為零，這是與圖4的能量分界面和圖6 的零速度包絡面相一致的。此外，從靜壓分布特徵的角度，再次驗證了渦流管的能量交換主要集中在靠近渦流室的前半段。4.4 溫度分布
徑向位置上的溫度分離是渦流管內能量分離的顯著特徵，如圖8 所示。在徑向位置r=0.96 R 處，出現了靜溫的最低值，這是由於該位置處的切向速度最大所導致的。在徑向位置r=R 即管壁處，靜溫達到最高值，這對利用渦流管外壁加熱天然氣管道調壓閥的先導氣體非常有利。徑向位置的溫度偏差最大在10 K 左右，並隨著軸向距離的增大而不斷縮小，在軸向位置Z 大於0.5 L 處，溫度基本不再隨徑向位置變化，管壁溫度維持在高溫狀態。在渦流室內，氣流經噴嘴節流後發生整體溫度降低，降幅在8 K 左右，沿熱端管軸向，內、外旋流經過一系列複雜的傳熱傳質過程，溫度近似呈指數趨勢升高，使氣體在經噴嘴節流降溫後快速升高並維持較長的「高溫段」距離，具備良好的加熱能力。與軸向溫度的變化幅度相比，徑向溫度的差別較小，即使在渦流室附近區域變化也不明顯。在出口端，內外旋流摻混在一起，經過二次節流後排出渦流管外，此時氣體發生比噴嘴節流更大的溫降，降溫幅度高達20 K，存在水合物堵塞渦流管通道的風險。UVI 採用在熱端管末端將部分高溫外旋流氣體，引到渦流室來抑制水合物生成，但該氣流的流量無法調節，從而導致工況的適應能力受到一定程度的限制。5 結論
採用FLUENT 模擬軟體，對甲烷氣體在SCVT內的流動與傳熱進行了數值模擬，並利用實驗數據驗證了計算模型的合理性。在借鑑前人關於RHVT 研究成果的基礎上，揭示了SCVT 流場與溫度場的分布特性，得出的主要結論如下。1）標準k-ε 模型比較適合描述完全湍流的流動過程，能夠滿足對SCVT 內強旋流場的預測精度需要。2）SCVT 的流場結構存在平行於管中心的能量分離界面，界面上的軸向速度為0。靜壓不隨軸向位置變化，界面兩側的內、外旋流的軸向速度相反，在該界面上同時發生熱、質雙重傳遞。整體流場由一系列沿熱端管方向流量不斷衰減的「短路流」構成。3）在靠近渦流室的前半段，徑向方向的靜壓、靜溫、切向速度和軸向速度差異較大，能量分離效果顯著。靜溫在管壁處最高，並沿著熱端管方向近似呈指數趨勢升高，較大的熱端管長徑比增大了與被加熱氣體之間的換熱面積，有利於提高SCVT 的加熱性能。參考文獻請點擊下方「閱讀原文」查看
編 輯 何 明
論文原載於《天然氣工業》2020年第7期
基金項目：國家自然科學基金項目「深水油氣柔性立管多場熱質耦合遷移及冷凝機理研究」（編號：51704027）、北京市大學生研究訓練[URT] 計劃項目「天然氣先導渦流管加熱器能量分離特性研究」（編號：2019J00007）。
王凱，謝磊，歐陽欣，等. 天然氣單流渦流管流場與溫度場數值模擬[J]. 天然氣工業, 2020, 40(7): 113-119. WANG Kai, XIE Lei, OUYANG Xin, et al. Numerical simulation on the flow and temperature field of natural gas single circuit vortex tubes.Natural Gas Industry, 2020, 40(7): 113-119.