喷管内高速流动天然气相变特性数值研究.pdf

( ) 2008 年 1 月 西安石油大学学报 自然科学版 Jan. 2008 ( ) 第 23 卷第 1 期 Journal of Xi′an Shiyou University Natural Science Edition Vol. 23 No. 1 ( ) 　　文章编号 :1673064X 2008 喷管内高速流动天然气相变特性数值研究 Study on the phase transition of highspeed natural gas flow in a nozzle by numerical method 1 2 1 1 3 曹学文 , 肖荣鸽 ,杜永军 ,李震东 ,林宗虎 ( 1. 中国石油大学 储运与建筑工程学院 ,山东 东营 257061 ;2. 西安石油大学 石油工程学院 ,陕西 西安 710065 ; 3. 西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室 ,陕西 西安 710049) 摘要 :在超声速旋流天然气分离器中 ,气流经过拉伐尔喷管绝热膨胀形成带液滴的超声速低温混合 气流 ,喷管内的相变是实现天然气分离的关键. 根据相变理论 、气体动力学理论并考虑了实际气体 的影响 ,建立了描述有相变的喷管中天然气高速流动的数学模型. 研究了喷管内有相变的天然气的 流动特性 ;计算了不同入口条件下的相变起始点位置和水蒸汽的凝析率 ;分析了当喷管入口温度一 定时 ,相变起始点、水蒸汽凝析率与入口压力的关系. 计算结果表明 ,随着入 口压力的升高 ,相变起 始点位置逐渐前移 ,水蒸汽凝析率逐渐增大 ,建立了一种预测超声速旋流分离器正常工作压力范围 的方法. 关键词 :天然气处理 ;喷管 ;超声速气流 ;相变 中图分类号 : TE868 　　文献标识码 :A 　　把可压缩的蒸汽加速到很高的速度会引起气体 分达到过饱和状态并凝析出来 , 以达到净化天然气 物态的改变 ,视膨胀的程度和初始状态对饱和条件 的目的[2 ] . 因此研究拉法尔喷管内低温高速流动气 的接近程度 ,可使蒸汽从未饱和状态变成过饱和状 体中的凝结现象具有重要意义. 本文在前人对相变 态. 如果蒸汽发生凝结 ,就可以观察到微小的液滴 , 过程研究的基础上 ,借鉴相变模型建立喷管内流体 同时还可以看到流动蒸汽的参数起了相应的变化. 物性与流动状态方程 ,对超声速旋流分离器中有相 从上世纪初叶起就有许多学者对高亚声速风洞和超 变过程的天然气高速流动特性进行研究. 声速风洞中水蒸汽的凝结问题进行了研究. 如果喷 1 　相变模型 管中不发生凝结则沿喷管轴向气体温降、压降等曲 线将按绝热曲线下降. 若发生凝结则各曲线都一定 大量的研究表明[35 ] ,相变过程可分为成核和 程度地偏离了绝热曲线 ,并且在某处会出现压力 、温 液滴生长两个阶段 ,通过液滴成核模型和液滴生长 度等突然上升 ,而后继续下降的现象[1 ] . 超声速旋 模型来描述相变过程 ,大量实验数据证明该模型能 流天然气分离器是针对传统的低温分离工艺分离效 较好地预测高压低温条件下蒸汽凝结现象. 在过饱 率低 、投资和运行费用高 、加热