摘要：氫氣作(zuò)爲全球脫碳(tan)目标的重要(yao)載體，輸送量(liàng)🛀🏻是🈚限制其大(dà)規模應用的(de)主要瓶頸。摻(chān)氫天然氣是(shì)實現大流量(liang)輸送氫氣的(de)一種重要途(tú)徑。氫氣的摻(chān)入導緻流速(sù)畸變，降低超(chao)聲波流量計(ji)的性能。以摻(chan)入氫氣的甲(jiǎ)烷爲主要工(gong)質，對8種類型(xíng)摻混管路内(nèi)部的氣體流(liú)動狀态進行(hang)模拟仿真研(yan)究，分析流場(chang)内氣體速度(dù)和氫氣濃度(dù)的分布狀态(tài);并對超聲波(bo)流量計 的适(shì)應性進行分(fèn)析，确定其推(tui)薦安裝位置(zhi)。在超聲流量(liang)計的适應性(xìng)分析中，三匝(za)螺旋管時僅(jin)需15D;對于單螺(luó)旋結合變徑(jìng)管的适應性(xing)影響更大，最(zui)小需要96D。通過(guò)比較，摻混管(guǎn)路C爲最佳模(mo)型，摻混均勻(yun)時的氫♻️氣摩(mo)爾分數約爲(wei)3.9%。可爲超聲波(bo)流量計在🔴摻(chan)氫天然氣正(zheng)确計量方面(mian)提供參🚶考。
　　溫(wēn)室氣體排放(fang)量增加導緻(zhi)全球極端天(tian)氣頻發，碳中(zhong)和⛱️戰略轉型(xíng)全球勢在必(bi)行叫。從《巴黎(li)協定》無碳未(wèi)來願景及碳(tàn)中和的全球(qiú)目标網到我(wo)國碳達峰🏃🏻、碳(tan)中和的目标(biao)問，大規模氫(qing)氣輸送的綜(zōng)合能源系統(tong)是實現這些(xiē)目标🐉的有效(xiao)途徑。可再生(shēng)能源大力❗發(fā)展及氫能技(jì)術與産業飛(fēi)速發展爲氫(qīng)氣輸送和應(ying)用的快速發(fa)展提供了條(tiao)件間。預計到(dao)2050年，全球可💛再(zài)生氫能能源(yuan)達到将近10°kW,全(quan)球氫能市值(zhi)将達到10萬億(yi)美元問。但氫(qīng)能的生産地(dì)與使用地嚴(yán)重不匹配導(dǎo)緻氫能的發(fa)展受限。相比(bǐ)傳統高壓瓶(ping)、低溫液化等(děng)物理儲運方(fang)式的小輸送(sòng)量、高成本、長(zhang)耗時7，管道🌈輸(shu)送可實現🏒長(zhǎng)距離、大規✌️模(mo)、低成本氫氣(qì)輸送且供🔴氣(qì)量持續穩定(dìng)。基于現有天(tian)然氣管網設(shè)施的優勢，将(jiāng)氫氣摻入天(tian)然氣管道輸(shu)送是解決氫(qing)💃🏻氣運輸的🔅必(bì)然發展趨勢(shi)⭕閣。
　　氫氣的物(wù)理和化學性(xìng)質與天然氣(qi)有較大差異(yi)。氫🌂氣摻♌入天(tian)✏️然氣改變管(guǎn)道内的氣體(tǐ)狀态引起溫(wēn)度❄️、壓力下降(jiàng)回，影🈲響着♈輸(shu)送🔞系統計量(liàng)裝置的正确(que)率。因此，對摻(chān)氫天☂️然氣管(guǎn)道輸送過程(cheng)進行監測及(jí)計🏃‍♀️量至關重(zhong)要。超聲波氣(qì)體流量計具(jù)有壓🔞損小、精(jing)度高、響應時(shí)間快和安全(quan)大等優點，在(zài)天☁️然氣計量(liang)領域占據主(zhu)導地1011。超聲波(bō)流量計針對(duì)混合氣體的(de)計量需保證(zhèng)氣體混合均(jun)勻🈲及管道内(nèi)⭕流速穩定對(duì)稱。
　　目前全球(qiú)天然氣摻氫(qing)工業實踐項(xiàng)目共有39個，輸(shu)送量高達2900噸(dun)/年間。2004年，歐盟(meng)開始建設NaturalHy項(xiang)目進行天然(ran)氣摻氫的應(yīng)用研究，得到(dào)系統運行的(de)最優摻氫比(bi)爲🌈20%則。2017年，英國(guó)能源🚶供應公(gong)司開展“HyDeploy”天然(ran)氣摻氫項目(mù)，在第一階段(duàn)工作證明利(lì)用現有天然(rán)氣管❗道加入(rù)20%氫🔞氣摩爾分(fen)數是可行的(de)5。2018年🤞，國内首個(ge)天然氣摻氫(qīng)示📱範項目研(yan)究呵，得到3%~20%之(zhī)間的任意摻(chan)氫比。這些工(gōng)業實踐項目(mù)爲大規模天(tiān)然氣摻氫進(jin)行管道輸送(song)提🍓供了正确(què)的依據。由🐉于(yú)摻氫天然氣(qi)屬于易燃易(yi)爆氣體，通常(chang)會先利用計(jì)算流體🈲力學(xué)理論方法對(duì)摻氫天然氣(qi)的流場進行(háng)分析，并對超(chāo)聲波流量計(ji)在管道中的(de)适應性進行(háng)數值模拟。Chen等(děng)71對不同雷諾(nuò)數🚶‍♀️下單右彎(wān)管和孔闆下(xià)遊的氫🔴氣流(liú)動進行模拟(nǐ)分析。流量計(jì)❤️位置越靠近(jin)擾動裝置，其(qi)誤差越大，增(zēng)加聲路數量(liàng)可有效減💰少(shao)誤差。Liu等18對管(guǎn)件連接處之(zhī)😍後的天然氣(qi)流動進行♍仿(páng)真分析，并給(gei)出了超聲波(bō)流💜量計安裝(zhuang)要⭕求。邵欣等(deng)l9對最常見的(de)90°單彎頭圓管(guan)過渡區甲烷(wan)流場的流動(dong)機理進🌏行分(fèn)析。基于此安(an)裝🈲整流器可(kě)有效改善🔅管(guǎn)道内流場速(sù)度分布，縮短(duǎn)超聲波流量(liang)計的安裝位(wei)置。唐曉宇等(děng)20對90°單彎管道(dào)内空氣流動(dòng)狀态進行分(fen)析，随下遊直(zhí)管距離增加(jia)，超聲波氣體(ti)流量計的計(ji)量偏差逐漸(jian)減小。當管道(dào)内流💋場分布(bù)非對稱時，會(hui)影響超聲波(bo)計量效果。擾(rǎo)動越劇烈，氣(qi)體摻混效果(guo)越好。國内外(wai)對于利用超(chao)聲☂️波流量計(jì)⁉️進行摻氫天(tian)然氣計量的(de)模拟仿真研(yan)究主要集中(zhōng)在改進聲道(dào)位置、數量、設(shè)置整流器、旋(xuán)流器等，從而(ér)縮短超聲波(bō)流量計的安(an)裝位置。缺少(shǎo)對💜管路結構(gòu)進行改進，本(ben)文通過♍計算(suan)流體動力學(xué)(computationalfluiddynamics,CFD)仿🧡真手段，研(yan)究摻氣天然(ran)氣管道結構(gou)爲螺旋管(單(dan)螺旋、雙螺旋(xuan)、三螺旋、六螺(luó)旋)和單螺旋(xuan)❓+變徑管(膨脹(zhàng)管或收縮管(guan))内的氣體混(hùn)合規律及速(sù)度分布:并推(tui)薦了超聲波(bō)流⁉️量計在螺(luo)旋管路的安(an)裝位置，爲超(chāo)聲♉波流量計(jì)的正确計量(liàng)提供參考。
1摻(chan)氫天然氣管(guan)路模型
1.1數值(zhi)仿真模型建(jian)立
　　爲研究管(guǎn)路結構對摻(chān)氫天然氣摻(chan)混狀态影響(xiang)，本文在🔴單👌螺(luo)旋管摻混管(guǎn)路的基礎上(shàng)，使用Design.modeler構建了(le)8種🌈摻混管路(lu)的3維模型👌，如(ru)圖1所示。摻混(hùn)管路分别爲(wei)不同匝數螺(luó)旋管📞(單螺旋(xuán)A型、雙螺旋B型(xíng)、三✨螺旋C型、六(liu)螺旋D型)和單(dan)螺旋管路📧結(jie)合變徑管路(lu)(單螺旋+後膨(péng)脹♌E型、單螺旋(xuán)+後收縮F型、單(dān)螺旋+前膨脹(zhang)G型、單螺旋+前(qián)收縮H型)。由于(yu)将密度較輕(qing)氫氣從底部(bu)充入天然♈氣(qì)管路能取得(dé)🆚較好的摻混(hun)效😘果，因此設(she)計從管路底(dǐ)部充入天然(ran)氣。具體參數(shù)設置爲:管路(lù)直💃🏻徑D=100mm,甲烷入(rù)口直徑爲1D，氫(qīng)🔴氣入口直徑(jìng)爲0.5D，出口直徑(jìng)爲1D,螺旋管曲(qu)率😍半徑爲2D。氫(qing)氣入口(支管(guǎn)軸線)距螺旋(xuan)管起📐始截面(mian)長度爲3D，多匝(za)螺旋管螺距(jù)爲1.5D。膨脹管長(zhang)度爲3D，膨脹管(guan)直徑最大處(chu)爲.1.5D;收縮管長(zhang)度爲3D，收縮管(guǎn)直徑最小處(chu)爲0.5D。爲使氣體(tǐ)充分摻混，将(jiang)下遊管路總(zǒng)長度設置爲(wèi)150D。在計算不同(tóng)匝數🔞螺旋管(guan)及單螺旋管(guan)路結合變徑(jing)管路結果時(shi)，定義的長度(du)L是以螺⛹🏻‍♀️旋.管(guan)終止截面爲(wèi)起點。
 
1.2數學模(mó)型
　　氣體流動(dong)需滿足連續(xù)性方程、動量(liang)守恒方程、能(neng)量守恒方程(chéng)等基本控制(zhi)方程。
　　天然氣(qi)和氫氣在摻(chān)混過程及在(zai)管道流動中(zhōng)的連續性方(fang)程爲
 
　　式中，p爲(wei)流體微元體(tǐ)上的壓力;u爲(wei)速度矢量;Fx,和(hé)Fy爲微元體在(zài)x軸，y軸和z軸方(fāng)向上的力;Txx，Tyx，Tzx，Txy，Tyy，，Tzy:，Txz，Tyz，Tzz爲(wei)微元體表面(miàn)的不同黏性(xing)應力分量。
　　摻(chan)混過程及在(zai)管道流動中(zhong)的能量守恒(héng)定律爲
 
　　式中(zhōng)，k爲流體傳熱(rè)系數，Cp爲比熱(rè)容，T爲溫度，St爲(wei)流體内熱源(yuan)和因黏性作(zuo)用流體機械(xie)能轉化爲熱(rè)能部分。
　　天然(ran)氣與氫氣摻(chan)混時需開啓(qǐ)組分運輸，此(ci)時管路中✍️氣(qi)體🛀的傳👄播規(guī)律
 
　　其中，ρCw爲組(zǔ)分w的質量濃(nóng)度，Dw爲組分w擴(kuò)散系數。
　　天然(rán)氣摻氫的過(guò)程中遵循理(li)想氣體狀态(tài)方程。
　　由于摻(chan)混過程中的(de)氣體參數(流(liu)量、壓力等)發(fā)生變化，會㊙️導(dǎo)緻🌂摻☀️混氣體(tǐ)的密度、動力(li)黏度、狀态方(fāng)程參數等産(chan)生變化。具體(tǐ)表達式
 
　　其中(zhong)，Pop爲摻混氣體(tǐ)的工作壓力(lì)，p爲相對于Pop的(de)局部相對🙇🏻壓(ya)力🌏，R爲氣🌏體常(chang)數，T爲氣體溫(wen)度，Yi爲第i種氣(qi)體的質🐕量分(fen)數，Mɷi爲第i種氣(qi)體🔅.的分子質(zhì)量。
 
　　其中，Um爲摻(chān)混氣體動力(li)黏度，M爲氣體(tǐ)種類數，出爲(wei)第i種氣🔴體的(de)摩爾百分比(bi)，ui爲第i種氣體(tǐ)的動力黏度(dù)，Mi爲第i種氣體(tǐ)的相對分子(zi)質量
　　本文以(yǐ)摻混均勻度(du)u和速度變異(yì)系數(coffi-cientofvariation,COV)來評價(jià)混合⭕程度💯，輸(shū)出不同數據(jù)采集線處氫(qing)氣濃度以及(ji)速度。
摻混均(jun)勻度μ計算公(gong)式爲
 
　　其中，`a爲(wei)監測點氫氣(qi)濃度測量值(zhí)的平均值，n爲(wei)取樣截面🏃内(nèi)🈚所🤟設監測點(dian)總數，a;爲第i個(ge)監測點所得(de)的氫氣濃度(du)值。各截🧑🏽‍🤝‍🧑🏻面内(nei)設置23個監測(cè)點進行摻混(hun)均勻度μ的統(tong)計計算。
速度(du)COV計算公式爲(wei)
 
　　其中，σ爲标準(zhun)偏差，`c爲監測(cè)點測量值的(de)平均值，ci爲第(di)i個🆚監測✏️點所(suǒ)得的氣體速(sù)度值。各截面(mian)内設置23個監(jiān)測點進行速(su)度COV的統計計(ji)算。
1.3網格劃分(fèn)
　　本文利用ANSYSWorkbench中(zhōng)的Mesh模塊，選用(yòng)四邊形或三(sān)角形網格法(fa)對流體域♊進(jìn)🏒行網.格劃分(fen)。網格數量對(dui)Fluent仿真計算結(jie)果有至關重(zhòng)要的影響。理(lǐ)論.上所采用(yong)的特征尺寸(cun)網格越小，得(dé)到的仿真結(jie)果越✍️正确。但(dan)👄随着網格數(shù)量的增加，對(duì)計算硬件資(zī)源的要求更(gèng)高🌂，而且導緻(zhi)計算時間延(yan)長，降低求解(jiě)結果的收斂(liǎn)性。本文以摻(chan)混管路A，E爲代(dai)表，分析稀疏(shu)、中等、稠密三(sān)種網格🌏特點(diǎn)對出口氫氣(qi)濃度變化的(de)影響，進行網(wang)格無關性驗(yan)❗證。結果如表(biao)1所示，随🔆網格(gé)數量增加，不(bu)同網格特點(diǎn)出口處氫氣(qi)摩爾分數波(bo)動很小。綜合(he)網格平均偏(pian)斜系數和網(wǎng)格平均質量(liàng)系數分析，三(san)種網格特點(dian)下的網格質(zhì)👅量均滿足模(mó)型需求，可以(yi)忽略網格對(dui)仿真計算結(jie)果精度的影(ying)響。
 
　　基于上述(shu)無關性分析(xi)，本文選用中(zhōng)等特點的網(wang)格。網格尺😘寸(cùn)爲10mm,單元數爲(wèi)1220492個，節點數爲(wèi)240017個。最終網格(gé)平均偏斜系(xi)數爲🙇🏻0.20,标準偏(pian)差爲0.11。偏斜系(xi)數在0~1範圍内(nei)，越接近0網格(gé)質量越優秀(xiu)。網格平均質(zhi)量系數爲0.85，标(biāo)準偏差爲0.09。質(zhi)量系數在0~1範(fàn)圍内，越接近(jin)1網格㊙️質量越(yuè)高，網格質量(liàng)滿足模型需(xu)求。
1.4邊界條件(jiàn)設定
　　湍流模(mó)型選用最具(ju)有适用性的(de)标準k-ε模型,适(shì)用氣體摻混(hùn)㊙️計算，在減小(xiǎo)計算量的同(tong)時保證了計(ji)算精度。在操(cao)作🏃🏻條件中設(shè)定溫度爲300K,重(zhong)力沿y軸負方(fāng)向爲9.8m/s2。管道入(rù)口均設置爲(wèi)速👌度進口邊(biān)界條件，主管(guan)道入口速度(dù)爲6.75m/s(流量:190.8m3/h)，摻混(hùn)管道入口🏃🏻‍♂️速(sù)度爲3m/s(流量:21.2m3/h);主(zhǔ)管道和摻混(hùn)管路🌍入口初(chu)始湍流參數(shù)一緻，湍流強(qiáng)度爲5%，湍流黏(nián)度比爲10。管道(dào)出口設置爲(wèi)壓力出口邊(biān)界條件，出口(kou)回流湍流強(qiang)度爲5%，回流湍(tuan)流黏度比爲(wei)10。水力🌍直徑爲(wèi)0.1m。主管道入口(kǒu)氣體爲純甲(jiǎ)烷，摻混☎️管路(lu)入口氣體爲(wei)純氫氣。将初(chu)始内部工質(zhì)設爲100%甲烷後(hou)♌進行⭐混合初(chu)始化，最後利(li)用SIMPLEC算法進行(háng)計算求🏃‍♂️解。
2結(jié)果與分析
2.1不(bú)同匝數螺旋(xuán)管的氣體流(liú)動分析
　　在工(gong)程實踐過程(cheng)中對氣體的(de)摻混效果進(jìn)行評價時♌，一(yi)般認定當摻(chān)混均勻度μ≥95%時(shí)，氣體在微觀(guan).上已達到摻(chan)混均勻叫。如(rú)Kong等網以摻混(hùn)均勻度μ是否(fou)≥95%，來判定🔆現有(you)天然氣管道(dao)中摻入氫氣(qì)是否摻📞混均(jun)勻。氣體在傳(chuan)輸擴散過程(cheng)中🛀會改變氣(qì)㊙️體組分的濃(nóng)度分布，同時(shí)影響氣體流(liu)速分布。甲烷(wan)和氫氣流經(jing)螺旋管☁️摻混(hùn)管路時，會受(shou)到強烈二次(cì)流以及高濃(nóng)度差的影響(xiǎng)，加速氣體擴(kuò)🌈散，管路中的(de)氣體最終向(xiang)摻混均😄勻的(de)方向發展。如(rú)圖2所示爲摻(chān)混管路(A，B，C，D)内氣(qì)體摻混均勻(yún)度與螺旋管(guǎn)出口👅截面位(wèi)置的關系。螺(luó)旋管管路的(de)氣體混合均(jun1)勻性均随着(zhe)管路匝數和(he)摻混距💚離的(de)增加呈現.上(shàng)升趨勢🌈。螺旋(xuán)管路的匝數(shu)越多，摻混均(jun1)勻所需的摻(chān)混距離越短(duǎn)。摻混管路A和(hé)B分别在146D和69D時(shí)實現氣體摻(chān)混均勻。而當(dang)選🛀🏻用匝數爲(wèi)3圈的摻混管(guǎn)路C時，在螺♈旋(xuán)管出口3D的距(ju)離，摻混均勻(yún)度已經達到(dao)摻混均勻的(de)要求。由此可(ke)知，增加螺旋(xuán)管的匝數可(kě)以非常有效(xiao)地縮短摻混(hun)距離，摻混😍管(guǎn)路C的效果已(yi)經非常好。若(ruo)再增加匝數(shu)到六螺旋(摻(chān)混管路D)已無(wú)實際意義，反(fan)而會導緻摻(chān)混均勻時的(de)距離增加到(dao)15D。
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　　爲了更清晰(xī)明了地觀察(chá)天然氣摻氫(qing)混摻管路(A，B，C,D)的(de)摻混過程，以(yǐ)四種摻混管(guan)路的螺旋管(guan)出口爲起始(shǐ)點，每隔1D設置(zhì)一個監測截(jié)面。本文得到(dào)數據均是瞬(shùn)态仿真的結(jié)果，在初始時(shí)刻氫氣摩爾(ěr)分數爲0，表示(shì)氫氣還沒擴(kuò)散至指定位(wei)置。如📱圖3所示(shi)摻🤩混裝置C爲(wèi)最佳摻混模(mo)型，在15D截面處(chù)，氫氣摩爾分(fèn)數随注入時(shí)間，由0到9.8%的變(bian)化過程。氫氣(qì)流動擴散1.03s後(hou)，初次達👈到摻(chān)混均勻時，在(zài)15D截面處瞬時(shi)氫氣摩爾分(fen)數爲3.9%。天然氣(qì)摻氫混摻管(guǎn)路A，B,C，D分别📞經過(guò)3.92s，2.19s，1.50s，2.03s後，氫氣的濃(nóng)度等于進口(kou)氫氣與甲烷(wán)的流量比(仿(pang)真結果是取(qǔ)到9.8%)，表示氫氣(qi)已擴散至指(zhǐ)定位置，并達(da)到穩态。圖4~圖(tú)7是天然氣摻(chān)氫混摻管路(lu)A、B、C、D分别在2.11s(146D截面(miàn)✊處)、1.40s(69D截面處)、1.03s(15D截(jie)面處)、1.37s(15D截面處(chù))時刻，摻混管(guǎn)路在不同距(jù)🔴離截面處的(de)氫氣摩爾分(fen)⭕數雲圖，與穩(wen)态時的摩爾(ěr)分數不同。
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　　如(rú)圖4所示摻混(hùn)管路A在螺旋(xuan)管路出口處(chu)渦流作用非(fēi)常劇烈，其分(fèn)層現象明顯(xian)。且不同于--般(ban)氫氣的上😘下(xià)分層，摻混管(guǎn)路A中管道中(zhōng)的氫氣直存(cún)在左右分層(ceng)，直至💜摻混距(jù)離在140D~150D達到摻(chan)混均勻，此時(shí)氫氣摩爾分(fèn)數均約爲0.8%。圖(tú)5所示摻混管(guan)路B的管路截(jié)面氫氣濃🐕度(dù)分布變化規(guī)律與圖4相似(sì)，直至摻混距(ju)離在65D~70D達到🐅摻(chān)混均勻，氫氣(qì)基本不再分(fen)層🛀🏻，此時氫氣(qi)摩爾分數均(jun)約爲1.9%。而圖6所(suo)示🚶的摻混管(guan)路C在螺旋管(guǎn)道出口處💃就(jiu)已經基本達(dá)到摻☂️混.均勻(yun)，氫氣已基本(ben)♈不存在分🔞層(céng)，此時氫🔅氣摩(mó)爾分數均約(yuē)爲3.9%。相比摻混(hùn)管路C的三🤞匝(zā)螺旋管，圖7所(suǒ)示摻混管🛀路(lù)D增加到六匝(zā)螺旋的摻📧混(hùn)效果反而下(xià)降。螺旋管道(dao)出口氫氣分(fèn)層，直至摻🚶混(hun)15D時達到摻混(hùn)均勻，氫氣不(bú)再分層，此時(shi)氫氣摩爾分(fen)數約爲2.0%。
 
 
　　氣體(ti)摻混後速度(du)分布雲圖，如(rú)圖8所示，速度(dù)變化受匝數(shu)影響🌈較小。摻(chān)混管路A和B均(jun)約在15D之後，摻(chān)混管路🈲C約在(zai)10D之後，速度💛等(deng)高線變得非(fēi)常規則，越來(lái)越趨近于圓(yuan)形，而摻混管(guan)路D約在40D後能(neng)達到同樣效(xiào)果。此時這四(sì)種類型摻混(hùn)管路内的氣(qì)🏒體速度已🍉達(da)到充分穩流(liú)發展的狀态(tài)，之後基本不(bú)再發生變化(huà)。流速分布很(hěn).合理，距離管(guan)道中心線越(yuè)近其速度越(yuè)快💔，符合黏性(xìng)定律。
 
 
　　摻混管(guan)路(A，B，C，D)速度COV與截(jie)面位置的關(guān)系如圖9所示(shì)。随着截面💯位(wei)置向🚩下遊移(yi)動，摻混管路(lù)(A，B,D)的速度COV一直(zhi)處于波動狀(zhuang)态，但皆不超(chao)✌️過15%。相比于A，B和(he)D，摻混管路C内(nei)氣體♌速度分(fen)布更爲均勻(yun)，其速度COV-直穩(wěn)定在5%左右。綜(zōng)合考慮氣體(tǐ)摻📱混均勻度(du)μ和速度COV,摻混(hun)管路C爲最佳(jia)摻混模型。
 
2.2單(dan)螺旋結合變(bian)徑管的氣體(tǐ)流動分析
　　如(rú)圖10所示爲摻(chan)混管路(E，F，G，H)的管(guǎn)路内氣體摻(chān)混均勻度♉與(yu)截面位置關(guān)系，摻混管路(lu)E，F，G，H是在單螺旋(xuan)的基礎上❗添(tiān)加變徑管(膨(peng)脹管或收縮(suō)管)，分别在136D，132D,107D，96D處(chù)時實現氣🔞體(tǐ)摻混均勻。相(xiang)比單螺旋管(guǎn)的146D，在不同位(wèi)置添加任何(hé)變徑管均能(neng)在.不同程度(dù).上實現縮短(duǎn)摻混距離的(de)效果。将變徑(jìng)管置于單螺(luo)旋管之前氣(qì)體初步摻混(hun)後再進入單(dan)螺旋管進一(yi)步摻混，明顯(xian)比置于單螺(luó)旋管之🏃‍♂️後更(geng)能👌有效地縮(suo)短摻混。而氣(qi)體進入收縮(suo)管内流動速(su)度會增大，此(ci)時的擾動更(geng)加劇烈，有助(zhu)于氣體摻混(hun)。針對變徑管(guǎn)位置及類型(xing)，摻混管路🌈H(即(jí)前收縮.管)的(de)摻🈲混效果更(gèng)好。
 
本組所得(dé)數據是瞬态(tai)仿真的結果(guo)，在初始時
刻(ke)氫氣摩爾分(fen)數爲0，表示氫(qing)氣還沒擴散(sàn)至指定位置(zhi)。如圖11摻🍓混裝(zhuāng)置H爲最佳摻(chan)混模型，在96D截(jié)面處，氫氣摩(mó)爾分數💔随注(zhu)入時間，由0到(dào)9.8%的變化過程(chéng)。氫氣流動擴(kuò)散1.53s後，初次達(dá)到摻混均勻(yun)時，在96D截面㊙️處(chu)瞬時氫氣❗摩(mo)爾分數爲1.6%。天(tiān)然氣摻氫混(hun)摻管路E，F，G，H

　　分别(bie)經過3.06s，2.95s，2.94s，2.48s後，氫氣(qì)的濃度等于(yu)進口氫氣與(yu)甲烷的流量(liang)比👣(仿真🚶‍♀️結果(guo)是取到9.5%)，表示(shi)氫氣已擴散(san)至指定位置(zhì)，并達💚到穩态(tai)。圖12~圖15是♊天然(rán)氣摻氫混摻(chan)管路E，F，G，H分别在(zài)1.91s、1.89s、1.69s、1.53s時刻，摻混管(guǎn)路在不同距(jù)🐅離截面處的(de)氫氣摩爾分(fèn)數雲圖，與穩(wen)态🎯時的摩爾(ěr)分數不同。.
 
 
　　對(duì)比圖12~圖15，四種(zhong)類型摻混管(guan)路的管道截(jié)面氫氣濃度(du)變化規律很(hěn)相似。在螺旋(xuan)管道出口.處(chu)氫氣均存在(zai)明🧑🏽‍🤝‍🧑🏻顯的💔左右(you)分層現象。但(dàn)随着距離的(de)增加，最終均(jun1)能達到摻混(hun)⛹🏻‍♀️均勻，氫氣基(ji)本💛不再有分(fen)層的狀态。但(dan)不同類型管(guan)道達到此狀(zhuang)态🏃‍♂️所需的距(jù)離不一。如圖(tu)12所示摻混🔞管(guan)路E需約130D~140D的距(jù)離才能達到(dào)此狀态，此㊙️時(shí)氫氣摩爾分(fèn)數約爲0.9%;圖13所(suǒ)示的摻混管(guǎn)路F同樣需約(yue)130D~140D的距離達到(dao)此🐇狀态，此時(shi)氫氣摩爾分(fen)數比摻混管(guǎn)路E略大，約爲(wèi)1%;圖14所示的摻(chan)混管路G需約(yuē)100D~110D的距離達到(dao)此狀态，此時(shi)氫氣摩🌈爾分(fèn)數約爲1.2%;圖15所(suo)示的摻混🔆管(guan)路H需約90D~100D的距(ju)離達到此狀(zhuàng)态，此時氫氣(qi)摩爾分數🐉約(yuē)爲1.6%。
氣體摻混(hun)後速度分布(bu)雲圖如圖16所(suo)示。管道尺寸(cùn)的變化會導(dǎo)緻内部的氣(qì)體流動速度(dù)突變，使得氣(qì)體速度穩定(dìng)下來所需⭐的(de)距離更遠。摻(chān)混管路E，F，G，H均在(zai)約30D之後，速度(du)等高線形狀(zhuàng)穩定下來，比(bi)單螺旋管(15D)的(de)截面距離大(da)一倍。
 

　　摻混管(guan)路(E，F，G，H)速度COV與截(jié)面位置的關(guān)系如圖17所示(shì)。初始💃🏻截面位(wei)🔱置♋時,摻混管(guan)路(E，H)的速度COV最(zui)大，約爲17%。而随(suí)着截面位置(zhì)向管道的下(xia)遊移動，這四(sì)種類型的摻(chān)混管路的速(sù)度COV均穩定在(zai)8%附㊙️近。雖然四(si)種類型的摻(chān)混管路最終(zhong)穩定時的COV差(chà)别很小，但相(xiàng)比摻混管路(lu)(E，F，G),摻混管路(H)的(de)速度👅COV達到穩(wěn)定時所需的(de)距離最短，僅(jin)需10D。故✊摻混管(guan)路H爲最佳摻(chān)混模型。
 
　　本文(wén)設置爲10%的摻(chān)混比，穩态仿(pang)真的時候，組(zǔ)分濃度隻是(shi)💰依賴于進口(kou)流量比。但在(zai)瞬态仿真的(de)時候，組分濃(nóng)㊙️度不僅依賴(lai)于🥵進口流量(liang)比，還跟流體(ti)的運動時間(jiān)、狀💜态有關🈚。瞬(shùn)态計💋算中，發(fā)展階段💰變化(hua)屬于介質置(zhi)換過程(初始(shi)管内全部甲(jia)😍烷)，詳細讨論(lùn)各摻混管路(lù)的氫氣🤞濃度(du)演化的過程(chéng)。而達到穩定(ding)後，沿程🆚的變(bian)化特征反映(ying)的是氫氣和(he)甲烷分層及(ji)其滑移💰效果(guo)，氫氣密度小(xiǎo)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，相同截面間(jian)壓差會有更(gèng)大的流動速(su)度，摩爾濃度(du)小🎯于進口流(liú)量直接計算(suàn)值。通過對比(bi)在相同截面(miàn)位置的摻混(hùn)📐管路A氫濃度(du)(圖4)對應速度(du)(圖8)以及摻混(hùn)管路E的🍓氫濃(nóng)度(圖12)對應速(sù)度(圖16)分🥵析可(kě)得:隻有當二(er)者摻混均勻(yun)後，氣體組分(fen)間相互作用(yòng)，均質、同速運(yùn)動，進口流量(liang)直🛀🏻接計算的(de)摩爾濃度才(cái)與實✉️際相符(fú)。計算結果氫(qīng)氣摩爾濃度(du)偏低9.8%(入口設(she)置的10%)，正反✌️映(ying)了非均勻摻(chān)混狀🥵态，甚至(zhì)明顯分❌層結(jie)構下，氫氣流(liú)速高過甲烷(wán)，存在明顯介(jie)質間滑🔞移現(xiàn)🛀🏻象這個🥰事實(shi)。也進一步證(zhèng)明摻混效果(guo)對真實速度(dù)正确和正确(que)測量的必要(yao)性。
2.3适應性條(tiáo)件
　　隻有當混(hùn)合氣體摻混(hun)均勻，且管道(dào)内氣體流速(su)已達🥵到充㊙️分(fèn)穩流的對稱(cheng)分布狀态時(shi)，才能保證超(chao)聲波流量計(ji)㊙️計量的正确(que)率。因此，本文(wen)結合不同結(jié)構㊙️的摻混管(guǎn)路仿真模拟(nǐ)結果，保證超(chāo)聲流量計計(jì)量正确率的(de)推薦安裝位(wèi)置如表💯2所示(shì)。由表㊙️2可知螺(luó)旋管的匝數(shù)以及變徑管(guan)位置對流量(liàng)計安裝距離(lí)的👉影響最大(da)。
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3結論
　　爲研究(jiū)不同天然氣(qì)摻氫管路結(jie)構對超聲波(bō)流量計安裝(zhuāng)距離的影響(xiǎng)，本文針對不(bú)同匝數螺旋(xuán)管路、單螺旋(xuan)結合變徑管(guǎn)路進行CFD仿真(zhen)模拟，得到氫(qing)氣摩爾分數(shù)雲圖以及反(fǎn)映其摻混均(jun)勻度的μ和COV的(de)變化🤩規律，最(zuì)終得到最佳(jia)摻混模型及(ji)超聲波流量(liang)計安裝距離(li)。具體内容如(ru)下。
(1)對于不同(tóng)匝數螺旋管(guǎn)的氣體流動(dong)分析,在0~20D間μ的(de)變化⭕最爲劇(ju)烈✌️，即此時氣(qì)體擾動最爲(wei)劇烈，氣體摻(chān)混主要在這(zhe)🔴一範圍進行(háng)。一般螺旋的(de)匝數越多，超(chāo)聲流量計安(ān)裝距離越短(duǎn)。當增加⛷️到三(san)螺旋時僅需(xu)15D。此📞後再增加(jiā)匝數已無實(shí)際意義，增加(jiā)到六螺旋時(shí)的超聲流量(liang)計安裝距離(lí)仍🐇爲15D。.
(2)對于單(dan)螺旋結合變(biàn)徑管的氣體(ti)流動分析，在(zài)0~25D間μ的變化最(zuì)爲劇烈，此範(fan)圍氣體摻混(hùn)效率更好。相(xiang)比變徑管的(de)類型，其安裝(zhuāng)位置明顯對(dui)超聲流量計(ji)安裝距離影(yǐng)響更大。同樣(yang)的膨脹管安(ān)裝在前端(107D)比(bi)後端(136D)所需的(de)距離少19D，同樣(yang)✏️的收縮管安(ān)裝在前端(96D)比(bǐ)後端🍓(136D)所需的(de)距離少26D。而同(tóng)樣位置的不(bu)同類型變徑(jing)管，其超聲流(liú)量計安裝距(jù)離差異性較(jiao)小。
(3)不同匝數(shù)螺旋管下，摻(chān)混裝置C爲最(zui)佳摻混模型(xing)，氫氣流動㊙️擴(kuo)散初次達到(dao)摻混均勻度(dù)μ時，在15D截面處(chu)瞬🚶‍♀️時氫氣摩(mo)爾分數爲3.9%;單(dan)螺旋管結合(hé)變徑管下，摻(chān)混管路H爲最(zuì)佳摻混模型(xíng)，氫氣流動擴(kuò)散💘初次達到(dao)摻混均勻度(dù)μ時，在96D截面處(chù)瞬時氫氣摩(mó)爾分數爲1.6%。

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