氫氣管道內(nèi)部凸起對流場影響的數(shù)值模擬研究

呂 超，劉艷龍，陳緒鑫，殷宏鑫，孫銘赫

（東北大學(xué)秦皇島分校控制工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

氫氣作為能源，具有能量密度大、無毒無味無腐蝕、便于存儲和運輸及零碳排放的優(yōu)點，因此具有很廣闊的應(yīng)用前景［1］。2019年3月，氫能首次被寫進(jìn)我國《政府工作報告》之中［2］，這表明我國對于氫能非常重視。氫能的有效利用，氫氣的運輸是重中之重，其中管道運輸具有運載量大、效率高、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢，因此具有良好的市場前景［3］。

在氫氣的管道運輸中，如果管道內(nèi)部有污染物堆積或管道存在較大的加工誤差，則會造成管道內(nèi)壁形成凸起。氫氣管道內(nèi)壁的粗糙程度對氫氣的流場具有較大的影響，尤其是在直角彎管處，如果管道較為粗糙，就會加劇氫氣輸送的不穩(wěn)定性，造成安全隱患，而管道內(nèi)壁形成的凸起是造成管道內(nèi)部粗糙程度高的重要原因之一，因此研究氫氣管道內(nèi)部凸起對流場的影響非常必要。在管道受損分析方面，單會娜［4］對管道產(chǎn)生缺陷的原因進(jìn)行了分析與檢測，提出不銹鋼管道的焊縫表面易受到特定介質(zhì)的腐蝕。Pluvinage［5］提出了利用缺口修正失效評估圖對氫氣管道缺陷進(jìn)行評定的方法。趙博鑫等［6］對氫氣管道的鋼管和材料進(jìn)行了適應(yīng)性分析，指出管道焊縫內(nèi)部有夾雜物等缺陷極易造成氫腐蝕而破壞管道。李強林等［7］對氣體管道內(nèi)部凹坑缺陷進(jìn)行了分析與評價，分析了有關(guān)氣體管道出現(xiàn)凹坑缺陷的原因?？梢娫跉怏w輸送管道方面，國內(nèi)外均著重研究管道的缺陷問題，而對于管道內(nèi)部凸起則研究較少，尤其是微小凸起對管道的影響的流場分析。從文獻(xiàn)［7］可知，氣體管道不僅會有凹坑缺陷，在表面也存在凸起，雖然這些凸起形狀各異，但根據(jù)平滑程度大致近似于錐形、圓柱形以及圓柱與球冠的組合體等形狀。本文運用Fluent 模擬氫氣流動時管道內(nèi)壁不同形狀的凸起對管內(nèi)流場的影響。

1 模型建立

1.1 整體物理模型

以歐洲大規(guī)模使用的氫氣管道為研究對象，結(jié)合我國實際情況，設(shè)計氫氣管道的尺寸為：管道直徑600 mm，直角彎管兩邊接口的直線管道長度均為6 000 mm，呈90°分布，其中心截面均在z=0平面上，3種凸起均位于直角彎管凸側(cè)內(nèi)壁。運用SCDM軟件進(jìn)行建模，z=0的直角彎管二維截面如圖1所示。

圖1 z=0的直角管道二維截面Fig.1 Two-dimensional section diagram of right angle pipe with z=0

1.2 凸起處的微小模型

3 種典型凸起均為對稱形狀，其對稱軸均通過直角彎管圓心。凸起的二維截面如圖2所示。凸起的底部寬度均為18 mm，最大高度為11.95 mm，且在管壁的同一位置，均對稱于同一對稱軸。數(shù)字1、2、3、4、5、6、7代表的直線是本次研究使用Fluent模擬設(shè)定的監(jiān)測線，將它們分別命名為監(jiān)測線1～監(jiān)測線7。在數(shù)字8 代表的曲線上按照等距原則設(shè)定20 個監(jiān)測點。利用這些監(jiān)測線、監(jiān)測點獲取凸起上各點的壓力值和速度大小。

圖2 典型凸起的二維截面Fig.2 Two-dimensional cross-section diagram of typical bulges

2 網(wǎng)格劃分及模擬參數(shù)設(shè)置

2.1 網(wǎng)格劃分

為減少計算量，提高計算精度，對原來的幾何模型進(jìn)行簡化，取原始管道模型的中軸面建立二維管道模型。在劃分網(wǎng)格時采用四邊形的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，劃分完成過后將其轉(zhuǎn)化為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent求解器進(jìn)行計算。

利用ICEM 所劃分出的網(wǎng)格（取凸起附近的一部分管道示意）如圖3所示。圖3（a）的網(wǎng)格數(shù)量約為65萬，圖3（b）和圖3（c）網(wǎng)格數(shù)量約為70萬，經(jīng)檢驗網(wǎng)格質(zhì)量均在0～1 之間且平均網(wǎng)格質(zhì)量在0.9以上。

圖3 幾何模型的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分Fig.3 Structured mesh division of geometric model

2.2 模擬參數(shù)設(shè)置

2.2.1 假設(shè)條件

忽略氫氣流動對管道幾何尺寸造成的微變、氫氣流過凸起表面及其附近對管道內(nèi)的溫度變化、氫氣管道內(nèi)的密度變化、氫氣管道內(nèi)的壁厚。

2.2.2 模擬參數(shù)設(shè)置

本次模擬的氫氣流速為8 m/s，在圓形管內(nèi)流動，特征長度L取圓管的直徑d。推導(dǎo)得圓管內(nèi)流動的雷諾數(shù)計算公式為［8］

式中：V為截面氫氣的平均速度；v為流體的運動黏度。

氫氣的運動黏度為241×10-6m2/s，圓管直徑為0.6 m，代入式（1）得出氫氣流動的雷諾數(shù)Re=19 917＞2 320，管道內(nèi)的風(fēng)流狀態(tài)為湍流。因此選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計算流體，常數(shù)取值見表1。壓力-速度耦合算法選擇SIMPLE算法。

表1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε特定常數(shù)取值Tab.1 Standard k-ε specific constant values

氫氣管道中的溫度為300 K，F(xiàn)luent 初始?xì)鈮簽?.013 25 kPa，其他參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 Fluent模型主要參數(shù)設(shè)置Tab.2 Main parameter settings of Fluent model

3 結(jié)果與討論

3.1 壓力分布

直角管道凸起處的壓力大小與分布影響管道的強度和使用壽命，某部分壓力過大或者分布不均可能會造成細(xì)微裂縫，嚴(yán)重影響輸送安全。因此對凸起表面壓力分布進(jìn)行了模擬仿真，氫氣管道直角彎管凸起處的壓力分布云圖如圖4所示。

根據(jù)模擬過程中凸起不同位置（Y坐標(biāo)值）的壓力的變化，繪制變化曲線，如圖5所示。

分析圖4和圖5可以得出結(jié)論：凸起附近較大的壓力場均在右側(cè)靠近監(jiān)測線的區(qū)域，且錐形凸起附近的壓力峰值最大，圓柱形凸起和組合體凸起的壓力峰值幾乎相等。隨著縱坐標(biāo)的增大，凸起左側(cè)輪廓線壓力逐漸增大，但壓力普遍較小，且均為負(fù)壓，凸起右側(cè)輪廓線上壓力會先上升然后驟降，使得此曲線的上頂點處附近壓力值較小，監(jiān)測線3 的平均壓力最小，圓柱形凸起頂部壓力先下降而后突然上升，然后趨于穩(wěn)定，曲線8 上壓力值大小呈現(xiàn)出拋物線形式的變化，開口向上，壓力先降后升，且曲線末端（縱坐標(biāo)最大位置）壓力值小于始端。

圖4 直角彎管凸起附近壓力分布Fig.4 Pressure distribution near the bulges of right-angle bend pipe

圖5 3種凸起不同監(jiān)測位置的壓力變化Fig.5 Pressure changes at different monitoring positions of three bulges

3.2 速度分布

氣體對凸起表面的沖擊也是必須要考慮的因素，這涉及氫氣流動時的穩(wěn)定性，能直接反映沖擊情況的便是速度大小分布與方向，管道直角彎管處內(nèi)壁凸起附近氣體流速云圖如圖6所示。氣體速度分布情況如圖7所示。

分析圖6和圖7可知：凸起表面的氫氣流動速度均非常低，且在凸起左右兩側(cè)靠近管壁處形成低速區(qū)域，背風(fēng)側(cè)形成速度死區(qū)，組合體形凸起速度死區(qū)最?。粴錃饬鲃臃较蛞婚_始平行于管壁，后逐漸變化，到錐形凸起頂點或圓柱體凸起和組合體凸起右側(cè)頂點時與管壁大約呈60°夾角，隨著繼續(xù)流動又逐漸平行于管壁。

圖6 直角彎管凸起附近速度分布Fig.6 Velocity distribution near the bulges of right-angle bend pipe

圖7 凸起附近速度矢量分布Fig.7 Distribution of velocity vector near bulges

3.3 剪切力分布

剪切力的大小體現(xiàn)了流體對管道內(nèi)部的沖擊情況，本文根據(jù)模擬過程中凸起不同位置對剪切力變化的影響，繪制了變化曲線，如圖8所示。

圖8 3種凸起不同監(jiān)測位置的剪切力變化Fig.8 Shear force changes at different monitoring positions of the three bulges

分析圖8可知，凸起迎風(fēng)側(cè)剪切力變化規(guī)律是：自下向上剪切力逐漸增大，在中上段驟增，使迎風(fēng)側(cè)頂點處剪切力較大；圓柱形凸起頂部隨著Y坐標(biāo)的增大，剪切力最初驟降，后趨于平緩；而較為平緩的組合體凸起頂部曲面上，剪切力隨著縱坐標(biāo)的增大呈波浪式變化，總體是下降趨勢，變化的劇烈程度較小。

4 結(jié)論

（1）錐形凸起相較于其他2種凸起壓力峰值最大，圓柱形凸起壓力峰值最低；凸起迎風(fēng)側(cè)附近區(qū)域形成較大的壓力場，迎風(fēng)側(cè)頂部壓力較?。煌蛊鹎骓敳繅毫o突變現(xiàn)象，斜平面頂部壓力先突變后趨于平緩；凸起背風(fēng)側(cè)壓力隨著位置改變變化不明顯。

（2）3 種凸起表面相近區(qū)域氫氣流動速度差幾乎相同，凸起表面氫氣流動速度較低并在凸起兩側(cè)形成低速區(qū)域，背風(fēng)側(cè)區(qū)域面積較大，形成速度死區(qū)，組合體形凸起速度死區(qū)最??；氫氣流過時速度方向與管壁之間的夾角變化是從0°到約60°再到0°。

（3）剪切力分析結(jié)果表明：氫氣對迎風(fēng)側(cè)頂部沖擊較大，其他段無明顯變化，組合體形凸起相對于其他2 種凸起剪切力峰值較小，流體對其沖擊力度較??；頂部形狀變化越平緩，流體對其沖擊越平穩(wěn)；背風(fēng)側(cè)幾乎無沖擊。

（4）圓柱形凸起壓力峰值小，而迎風(fēng)側(cè)頂部受到的沖擊較大，使得其對氫氣流動阻礙作用較小而且容易被流體沖蝕，使凸起形狀發(fā)生改變，更有利于流體流動，產(chǎn)生良性循環(huán)。