摘(zhai)要：氫氣作爲全球(qiú)脫碳目标的重要(yao)載體，輸送量🙇🏻是限(xiàn)👈制其大規模應用(yong)的主要瓶頸。摻氫(qīng)天然氣是實現大(dà)流👨‍❤️‍👨量輸送氫♍氣的(de)一種重要途徑。氫(qīng)氣的摻入導緻流(liú)速畸🛀變，降低超聲(sheng)波流量計的性能(néng)。以摻入氫氣的甲(jiǎ)烷爲主要工質，對(dui)💯8種類型摻混管路(lu)内🏃‍♀️部的氣體流動(dong)狀态進行😘模拟仿(pang)真研究，分析流場(chǎng)内氣體速度和氫(qīng)氣濃度的分⚽布狀(zhuang)态;并對超聲波流(liu)量計 的适應性進(jìn)行分析，确定其推(tui)薦安裝位置。在超(chāo)聲流📧量計的适應(yīng)性分析中，三匝螺(luo)旋管時僅需15D;對于(yú)單螺旋結合變徑(jìng)管的适應性影響(xiang)更大，最小需要96D。通(tong)過比較，摻混管路(lù)C爲最佳模型，摻混(hun)均勻時的氫氣摩(mó)爾分數約爲3.9%。可爲(wèi)超聲波🈲流量計在(zài)摻氫天然氣正确(què)計量方面提供參(cān)考。
　　溫室氣體排放(fàng)量增加導緻全球(qiú)極端天氣頻發，碳(tàn)🌏中和戰💋略轉型全(quán)球勢在必行叫。從(cóng)《巴黎協定》無碳未(wèi)來願景及碳中和(hé)的全球目标網到(dao)我國碳達峰、碳中(zhong)和的目标問，大規(guī)模氫氣輸送的🔞綜(zong)合能源系統是實(shi)現🙇🏻這些目标的有(you)效途徑。可再生能(neng)源大力發展及氫(qīng)能技術與産業飛(fei)速發展爲氫氣輸(shū)送和🌈應用的快速(su)發展提供了條件(jian)間。預計到2050年，全🔴球(qiu)可再生氫能能源(yuan)達到将近10°kW,全球氫(qing)能市值将達到10萬(wan)億美元問。但氫能(neng)的生産地與使用(yòng)地嚴重不匹配導(dao)緻氫能🈲的發展受(shòu)限🏃🏻。相比傳統高壓(yā)瓶、低溫液化👄等物(wù)理儲運方式的小(xiǎo)輸送量、高成本、長(zhǎng)耗時7，管道輸送可(kě)實現長距離、大規(guī)模📱、低成本氫氣輸(shu)送且供🏃🏻氣量持續(xu)穩定。基于現有天(tiān)然氣管網設施的(de)優勢，将氫氣摻入(rù)天然氣管道輸送(song)是解決氫氣運輸(shu)的必然發展趨勢(shi)閣。
　　氫氣的物理和(hé)化學性質與天然(rán)氣有較大差異。氫(qīng)氣㊙️摻入天然氣改(gǎi)變管道内的氣體(tǐ)狀态引起溫度、壓(yā)力下降回，影響着(zhe)輸送🎯系統計量裝(zhuāng)置的正确率💞。因此(ci)，對🌈摻氫天然氣管(guǎn)道輸送過程進行(hang)監測及計量至關(guan)重要。超聲波氣體(ti)流量🔱計具有壓損(sǔn)小、精度高、響應時(shí)間快和安全大等(deng)優點，在天然氣計(ji)量領域占據主導(dǎo)地1011。超聲波流量計(ji)針對混合氣體的(de)計量需保證氣體(tǐ)混合均勻🔴及管道(dào)内📱流速穩定對稱(chēng)。
　　目前全球天然氣(qì)摻氫工業實踐項(xiang)目共有39個，輸送量(liang)高達2900噸/年間。2004年，歐(ōu)盟開始建設NaturalHy項目(mu)進行天然氣摻氫(qīng)的應用研究，得到(dào)系🧑🏽‍🤝‍🧑🏻統運行的最優(yōu)摻氫比爲20%則。2017年，英(yīng)國能源供應公司(sī)開展“HyDeploy”天然氣💃🏻摻氫(qīng)項目，在第一階段(duàn)工作證明利用現(xian)有天然氣管道加(jiā)入20%氫氣摩爾分數(shù)是可行的5。2018年，國内(nei)首個天然氣摻氫(qīng)示範項目研究🈚呵(he)，得到3%~20%之間的任🌈意(yi)摻氫比。這些工業(yè)實踐項目爲大規(guī)模天然氣摻氫進(jìn)行管道輸送提供(gong)了正确的依據。由(yóu)🔴于摻氫天然氣屬(shu)👄于易燃易爆氣體(ti)，通常會先利用計(jì)算流體🌈力學理論(lùn)方法對摻✌️氫天然(ran)氣的流場進行分(fen)析，并對超聲波流(liu)量計在❓管道中的(de)适應性進行數值(zhi)模拟。Chen等71對不同雷(léi)諾數下單右彎管(guǎn)和孔闆下遊的氫(qīng)氣流動進行模拟(ni)分析。流量計位置(zhì)越靠近擾動裝置(zhi)，其誤差越大，增加(jia)聲路數量可有☔效(xiào)減少誤差。Liu等18對管(guan)件連接處之🥵後🐇的(de)天然氣流動進行(háng)仿真分析🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，并給出(chu)了超聲波流量計(jì)安裝要求。邵欣等(deng)l9對最常見的90°單彎(wān)🚶頭圓管過渡區甲(jia)烷流場的流動機(ji)理進行分析。基于(yú)此安裝整流器可(ke)有效改善管道内(nèi)流場速度分布，縮(suo)短超聲波流量計(jì)的安裝位置。唐曉(xiǎo)宇等20對90°單🈲彎管道(dào)内空氣流動狀态(tài)進行分析，随下遊(yóu)直管距離增🌈加，超(chāo)聲波氣體流🏃🏻‍♂️量計(ji)的計量偏差逐漸(jiàn)減小。當管道内🏒流(liu)場分布非對稱時(shí)，會影響超聲波計(jì)量效果。擾動越劇(jù)烈，氣體摻混效果(guǒ)越好。國内外對于(yu)利用超聲波流量(liang)計進行摻氫天然(rán)氣計量的模拟仿(pang)真研究主要集中(zhōng)在改進聲道位置(zhi)、數量、設置整流器(qi)、旋流器等，從而縮(suō)短超聲🛀🏻波流量計(jì)的安裝位置。缺少(shǎo)對管路結構進行(hang)🏃🏻‍♂️改進，本文😍通過⭐計(ji)算流體動力學(computationalfluiddynamics,CFD)仿(pang)真手段，研究摻氣(qì)天然氣管道⚽結構(gòu)爲螺旋管(單螺旋(xuán)、雙螺旋、三螺旋、六(liu)螺旋)和單螺旋+變(bian)徑管(膨🈚脹管💞或收(shou)縮管)内的氣體混(hun)合規律及速度分(fen)布:并推薦了超聲(sheng)波流📞量計在螺旋(xuan)管路的安裝位置(zhì)，爲💃🏻超聲✉️波流量計(ji)的正确計🚩量提供(gòng)參考。
1摻氫天然氣(qì)管路模型
1.1數值仿(pang)真模型建立
　　爲研(yán)究管路結構對摻(chan)氫天然氣摻混狀(zhuàng)态影響，本文在單(dān)螺旋管摻混管路(lù)的基礎上，使用Design.modeler構(gòu)建了8種摻混管路(lù)的3維模型，如圖1所(suǒ)示。摻混管路分别(bie)爲不同匝數螺旋(xuán)管(單螺旋A型、雙螺(luo)旋B型、三螺旋C型、六(liu)螺🐉旋D型)和單螺旋(xuán)管路⭐結合變徑管(guan)路(單螺旋+後膨脹(zhàng)E型、單螺旋+後收縮(suō)F型、單螺🧡旋+前膨脹(zhang)G型🔴、單螺旋+前收縮(suō)H型)。由于将🌈密🌈度較(jiào)輕氫氣從底部充(chong)入天然氣管路能(néng)取得較好的摻混(hun)效果，因此設計從(cong)管路底部充入天(tian)然氣。具體參💋數設(shè)置爲:管路直徑D=100mm,甲(jiǎ)烷入口直徑爲1D，氫(qīng)氣入口直徑爲0.5D，出(chu)口🈲直徑爲1D,螺旋管(guǎn)曲率半徑爲2D。氫氣(qi)入口(支管軸線)距(jù)螺旋管起始截面(mian)長度爲3D，多匝螺旋(xuan)管螺距爲1.5D。膨脹管(guan)長度爲3D，膨脹管直(zhi)徑最⛹🏻‍♀️大處爲.1.5D;收縮(suō)管長度爲3D，收縮管(guǎn)直徑最小處爲0.5D。爲(wèi)使氣體充分摻混(hùn)，将下遊管路總長(zhang)度設置爲150D。在計算(suàn)不同匝數螺旋🈚管(guǎn)及單螺旋管路結(jie)合變徑管路結果(guo)時，定義的長♻️度L是(shì)以螺旋.管終止截(jie)面爲起點。
 
1.2數學模(mo)型
　　氣體流動需滿(mǎn)足連續性方程、動(dong)量守恒方程、能量(liang)守恒方程等基本(běn)控制方程。
　　天然氣(qi)和氫氣在摻混過(guò)程及在管道流動(dong)中的連續性方程(cheng)爲
 
　　式中，p爲流體微(wei)元體上的壓力;u爲(wèi)速度矢量;Fx,和Fy爲微(wēi)元體在x軸🤟，y軸和z軸(zhou)方向上的力;Txx，Tyx，Tzx，Txy，Tyy，，Tzy:，Txz，Tyz，Tzz爲微(wēi)元體表面的不🌈同(tong)黏性應力分量。
　　摻(chān)混過程及在管道(dào)流動中的能量守(shǒu)恒定律爲
 
　　式中，k爲(wèi)流體傳熱系數，Cp爲(wèi)比熱容，T爲溫度，St爲(wei)流體内熱源和因(yin)黏性作用流體機(ji)械能轉化爲熱能(néng)部分。
　　天然氣與氫(qīng)氣摻混時需開啓(qǐ)組分運輸，此時管(guan)路中氣體的🔴傳播(bō)規律
 
　　其中，ρCw爲組分(fen)w的質量濃度，Dw爲組(zu)分w擴散系數。
　　天然(ran)氣摻氫的過程中(zhong)遵循理想氣體狀(zhuàng)态方程。
　　由于摻混(hun)過程中的氣體參(cān)數(流量、壓力等)發(fa)生變化，會導緻摻(chan)混氣體的密度、動(dòng)力黏度、狀态方程(cheng)參數等産生變化(hua)。具體📞表達式
 
　　其中(zhong)，Pop爲摻混氣體的工(gōng)作壓力，p爲相對于(yu)Pop的局部相對壓☔力(li)，R爲氣體常數，T爲氣(qi)體溫度，Yi爲第i種氣(qi)體的質量分數，Mɷi爲(wèi)第i種氣體.的分子(zǐ)質量。
 
　　其中，Um爲摻混(hun)氣體動力黏度，M爲(wei)氣體種類數，出爲(wèi)第i種⚽氣體的摩爾(er)百分比，ui爲第i種氣(qì)體的動力黏度，Mi爲(wèi)第i種氣體的相對(duì)分子質量
　　本文以(yi)摻混均勻度u和速(su)度變異系數(coffi-cientofvariation,COV)來評(ping)價混合程🔞度，輸出(chū)不同數據采集線(xiàn)處氫氣濃度以及(ji)速度。
摻混均勻度(du)μ計算公式爲
 
　　其中(zhōng)，`a爲監測點氫氣濃(nóng)度測量值的平均(jun)值，n爲取樣截面内(nei)所設監測點總數(shù)，a;爲第i個監測點所(suo)得的氫氣濃度值(zhí)。各截面内🤟設置23個(gè)監測點進行摻混(hùn)均勻🚩度μ的統‼️計計(ji)算。
速度COV計算公式(shi)爲
 
　　其中，σ爲标準偏(pian)差，`c爲監測點測量(liàng)值的平均值，ci爲第(dì)i個監測點所得的(de)氣體速度值。各截(jié)面内設置23個監測(cè)點進行速度COV的統(tong)👌計計算。
1.3網格劃分(fèn)
　　本文利用ANSYSWorkbench中的Mesh模(mó)塊，選用四邊形或(huò)三角形網格法對(dui)流體♊域進行網.格(ge)劃分。網格數量對(duì)Fluent仿真計算結果有(you)至關重要的影響(xiang)。理論.上所采用的(de)特征尺寸🐉網格越(yue)小，得到的仿真結(jié)果越正确。但随着(zhe)網格數量的增加(jia)，對計算硬件資源(yuan)的要求更高，而且(qiě)導緻計算時間延(yán)長，降低求解結果(guǒ)的收斂✔️性。本文以(yi)摻🔱混管路A，E爲代表(biao)㊙️，分析稀疏、中等✊、稠(chóu)密三種網格特點(dian)對出口氫氣濃度(dù)變化的影響，進行(háng)網格無關性驗證(zheng)。結果如表1所示，随(suí)網格數量增加，不(bú)同網格特點出口(kǒu)處氫氣摩爾分數(shu)波動很小。綜合網(wang)格平均偏🙇‍♀️斜系數(shù)和網格平均質量(liang)系數分析，三種網(wang)格特點下的網格(ge)質量均滿足模😄型(xing)㊙️需求，可以忽略網(wang)格對仿真計算結(jié)果精度的影響。
 
　　基(ji)于上述無關性分(fèn)析，本文選用中等(děng)特點的網格。網格(ge)🌈尺寸爲10mm,單元數爲(wèi)1220492個，節點數爲240017個。最(zui)終網格平均偏斜(xie)系數爲🏃🏻‍♂️0.20,标準🌈偏差(chà)爲0.11。偏斜系數在0~1範(fàn)圍内，越接近0網格(ge)質量越優秀。網格(ge)平均質量系數爲(wei)0.85，标準🌈偏差爲0.09。質量(liàng)系數在0~1範圍内，越(yue)🔞接近1網格質量越(yuè)高🌐，網格質量滿足(zu)模型需求。
1.4邊界條(tiáo)件設定
　　湍流模型(xing)選用最具有适用(yong)性的标準k-ε模型,适(shi)用氣體摻混計算(suàn)，在減小計算量的(de)同時保證了計算(suan)精度。在操作條件(jian)🚶‍♀️中設定溫度爲300K,重(zhong)力沿y軸負方向爲(wèi)9.8m/s2。管道入口均設📧置(zhi)爲速💋度進口邊界(jie)條件，主管道入口(kǒu)速度爲6.75m/s(流量:190.8m3/h)，摻混(hùn)管道入口速度爲(wèi)3m/s(流量:21.2m3/h);主管道💜和摻(chān)混管路入口初始(shi)湍流參數一緻，湍(tuan)流強度爲5%，湍流黏(nián)度比爲10。管道出口(kǒu)設置爲壓力出口(kǒu)邊🐉界條件，出口回(huí)流湍流強度爲5%，回(huí)流湍流💯黏度比爲(wei)10。水力直徑爲0.1m。主管(guǎn)道入口氣體爲純(chún)甲烷，摻混管路入(ru)口氣體爲純氫氣(qi)。将初始内部工質(zhi)設爲100%甲烷後☀️進行(hang)混合初始化，最後(hou)利用SIMPLEC算法進行計(ji)算求解。
2結果與分(fen)析
2.1不同匝數螺旋(xuan)管的氣體流動分(fèn)析
　　在工程實踐過(guo)程中對氣體的摻(chan)混效果進行評價(jià)時，一📞般認定💘當摻(chān)混均勻度μ≥95%時，氣體(ti)在微觀.上已達到(dao)摻混均勻叫。如Kong等(děng)😄網以摻混均勻度(dù)μ是否≥95%，來判定現有(you)天然氣管道中摻(chān)入氫氣是否摻混(hùn)均勻。氣體在傳輸(shu)擴散過程中💁會改(gǎi)變氣體組分的濃(nong)度分布，同時影響(xiǎng)氣體流速分布。甲(jia)烷和氫氣流經螺(luó)旋管摻混管路時(shí)，會受到強烈二次(ci)💁流以及高濃度差(cha)的🈲影響，加速💜氣體(ti)擴散，管路中的氣(qi)體最終向摻混均(jun)勻的方向發展。如(rú)圖2所示爲摻混管(guǎn)路(A，B，C，D)内氣體摻混均(jun1)勻度與螺旋管出(chū)口截面位置的關(guan)系。螺旋管管路的(de)氣體混合均勻性(xing)均随着管路匝數(shù)和摻混距離的增(zēng)加呈現.上升趨勢(shì)。螺旋管路的匝數(shù)越多，摻混均勻所(suǒ)需的摻混距離越(yue)短。摻混管路A和B分(fèn)别在146D和69D時實現⛹🏻‍♀️氣(qì)體摻混均勻。而當(dang)選用匝數🐆爲3圈的(de)摻😘混管路C時，在螺(luo)旋管🐆出口3D的距離(lí)，摻混均勻度已經(jīng)達到摻混均勻的(de)要求。由此可知，增(zēng)加螺旋管的匝🐆數(shù)可以非常有效地(dì)縮短摻混距離，摻(chan)混管路C的效果已(yǐ)經非常好。若再增(zēng)加匝數到六螺旋(xuan)(摻混管路D)已無實(shi)際意義，反而⛱️會導(dao)緻摻混均勻時的(de)距離增加到15D。
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　　爲了(le)更清晰明了地觀(guan)察天然氣摻氫混(hun)摻管路(A，B，C,D)的摻混過(guo)程，以四種摻混管(guan)路的螺旋管出口(kǒu)爲起始點，每隔1D設(shè)🌈置一個監測截面(mian)。本文得到數據均(jun)是瞬🚶态仿真的結(jie)果，在初始時刻氫(qīng)氣摩爾分數爲0，表(biao)示👨‍❤️‍👨氫氣還沒🏒擴散(sàn)至指定位置。如圖(tu)3所示摻混裝置C爲(wèi)⛷️最佳摻混模型，在(zai)15D截面處，氫氣摩爾(er)分數随注入時間(jian)，由0到9.8%的變化♍過程(chéng)。氫氣流動擴散1.03s後(hou)，初次達✂️到摻混均(jun1)勻時，在15D截面處瞬(shun)時⛷️氫氣摩爾分數(shu)爲3.9%。天然氣摻氫混(hun)摻管路A，B,C，D分别經過(guo)3.92s，2.19s，1.50s，2.03s後，氫氣的濃👄度等(deng)于進口氫氣與甲(jia)烷的流量比👈(仿真(zhen)結果是取到9.8%)，表示(shì)氫氣已擴散至指(zhǐ)定位🆚置，并達到穩(wen)态。圖4~圖7是天然氣(qì)摻💞氫混摻管路A、B、C、D分(fèn)别在2.11s(146D截面處)、1.40s(69D截面(mian)處)、1.03s(15D截面處)、1.37s(15D截面處(chù))時刻，摻混管路在(zai)不同距離截🈲面處(chù)的氫氣摩爾分數(shu)雲圖，與穩态時的(de)摩爾分數不同。
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　　如(rú)圖4所示摻混管路(lù)A在螺旋管路出口(kǒu)處渦流作用非常(cháng)劇⭐烈⁉️，其♋分層現象(xiang)明顯。且不同于--般(bān)氫氣的上下分層(céng)，摻混管路A中管道(dao)中的氫氣直存在(zai)左右分層，直至摻(chan)混距離在140D~150D達❄️到摻(chān)混均勻，此📐時氫氣(qi)摩爾分數均約爲(wèi)0.8%。圖5所示摻混管路(lu)B的管路截面氫氣(qi)濃度分布變化規(gui)律與圖4相似，直至(zhì)摻混距離在65D~70D達到(dao)摻混均勻，氫氣基(jī)本不再分層🐪，此時(shi)氫氣摩爾分數均(jun)約爲1.9%。而圖6所示的(de)摻混管路C在螺✂️旋(xuán)管道出口處就已(yǐ)經基本達到摻混(hun).均勻，氫氣已基本(ben)不存在分層，此時(shí)氫氣摩爾分數🔅均(jun1)約爲3.9%。相比摻混管(guan)路C的三🍓匝螺旋管(guǎn)，圖7所示摻混管路(lù)D增加到六匝螺旋(xuán)的摻混效果反而(ér)下降。螺旋管道🤟出(chu)口氫氣分層，直至(zhì)摻混15D時達到摻混(hun)均勻，氫氣不再分(fèn)層，此時氫氣摩爾(er)分數約爲㊙️2.0%。
 
 
　　氣體摻(chān)混後速度分布雲(yun)圖，如圖8所示，速度(dù)變化受匝🔞數影🚶響(xiang)較小。摻混管路A和(he)B均約在15D之後，摻混(hun)管路C約在10D之後，速(sù)度🔆等高線變得非(fei)常規則，越來越趨(qū)近于圓形，而摻混(hun)⛷️管路D約在40D後能達(da)到同☀️樣效果。此時(shí)這四種類型摻混(hun)管路内的氣體速(su)度已達到充分穩(wen)流發展的狀态，之(zhi)後基本不再發生(sheng)變化。流速分布很(hěn).合理，距離管道中(zhōng)心線越近其速度(dù)越快，符合黏性定(dìng)律。
 
 
　　摻混管路(A，B，C，D)速度(dù)COV與截面位置的關(guān)系如圖9所示。随着(zhe)截面🤟位置向💛下遊(yóu)移動，摻混管路(A，B,D)的(de)速度COV一直處于波(bo)動狀态，但皆不超(chao)過15%。相比于A，B和D，摻混(hun)管路C内氣體速度(du)分布更爲🔴均勻，其(qi)🔱速度COV-直穩定在5%左(zuǒ)右。綜合考慮氣體(tǐ)摻混均勻度μ和速(sù)度COV,摻混管路C爲最(zui)佳摻混⛷️模型。
 
2.2單螺(luo)旋結合變徑管的(de)氣體流動分析
　　如(ru)圖10所示爲摻混管(guǎn)路(E，F，G，H)的管路内氣體(ti)摻混均勻度🛀🏻與截(jié)面位置關系，摻混(hùn)管路E，F，G，H是在單螺旋(xuán)的基礎上添加變(bian)徑管(膨脹管或收(shou)📱縮管)，分别在136D，132D,107D，96D處時(shi)實現氣體摻混均(jun)勻。相比單螺⚽旋管(guan)的146D，在不同位置添(tiān)加任何變徑管均(jun1)能在.不同程度.上(shàng)📧實現縮短摻混距(ju)離的效果。将變🐅徑(jing)管置于單螺旋管(guan)之前氣體初步摻(chan)混後再進入單🔞螺(luo)旋管進一步摻混(hùn)，明顯比置于單螺(luo)旋管之後更能有(you)效地縮短摻混。而(er)氣體進入收縮管(guǎn)内流動速度會增(zēng)大，此時的擾動🏃‍♂️更(gèng)㊙️加劇烈，有助于氣(qì)體㊙️摻混。針對變徑(jìng)管位置及類型，摻(chan)混管路H(即前收縮(suō).管)的摻混效果更(geng)好。
 
本組所得數據(ju)是瞬态仿真的結(jié)果，在初始時
刻氫(qing)氣摩爾分數爲0，表(biǎo)示氫氣還沒擴散(san)至指定位置。如圖(tú)11摻混裝置H爲最佳(jiā)摻混模型，在96D截面(mian)處，氫氣摩爾分數(shù)随注入時間，由0到(dào)9.8%的變化過程。氫氣(qi)流動擴散1.53s後，初次(cì)達到摻混均勻時(shi)，在96D截面處瞬時氫(qīng)氣摩爾分數爲1.6%。天(tian)然氣摻氫混摻管(guan)路E，F，G，H

　　分别經過3.06s，2.95s，2.94s，2.48s後，氫(qīng)氣的濃度等于進(jìn)口氫氣與甲烷的(de)👅流量比(仿真結果(guo)是取到9.5%)，表示氫氣(qì)已擴散至指定位(wèi)置，并達到穩态。圖(tú)12~圖15是天然氣摻氫(qīng)混摻管路E，F，G，H分别在(zai)1.91s、1.89s、1.69s、1.53s時刻，摻混🐕管路在(zai)不同距👨‍❤️‍👨離截面處(chù)的氫氣摩爾分數(shu)雲圖，與穩态時的(de)摩爾✍️分數不同。.
 
 
　　對(duì)比圖12~圖15，四種類型(xing)摻混管路的管道(dào)截面氫氣濃度變(bian)化規律🤩很相似。在(zài)螺旋管道出口.處(chù)氫氣均存在明顯(xiǎn)的左右分層⭐現象(xiàng)。但随着距離的增(zēng)加，最終均能達到(dao)摻混均勻，氫氣基(ji)本不再有分層的(de)狀态。但不同類型(xíng)管道達到此狀态(tài)所需的距離不一(yi)。如圖12所示摻混☂️管(guan)路E需約130D~140D的距離才(cai)能達到此狀态，此(cǐ)時氫氣摩爾分數(shù)約爲0.9%;圖13所示的摻(chān)混管路F同樣需約(yue)130D~140D的距離達到此狀(zhuang)态，此☎️時氫氣摩🈲爾(er)分數比摻混管🈚路(lu)E略大，約爲1%;圖14所示(shi)的摻混管路G需約(yue)100D~110D的距離達到此狀(zhuàng)态，此時氫氣摩爾(er)分數約爲1.2%;圖15所示(shì)的🌍摻混管路H需約(yuē)90D~100D的距離達到此狀(zhuàng)态，此時氫氣摩爾(er)分數約爲1.6%。
氣體摻(chān)混後速度分布雲(yún)圖如圖16所示。管道(dao)尺寸的變化會導(dao)緻💃内部的氣體流(liu)動速度突變，使得(dé)氣體速度穩定✌️下(xia)來所需的距離更(gèng)遠。摻混管路E，F，G，H均在(zai)約30D之後，速💰度等高(gao)線形狀穩定下來(lai)，比單螺旋管(15D)的截(jie)面距離大一倍。
 

　　摻(chān)混管路(E，F，G，H)速度COV與截(jie)面位置的關系如(rú)圖17所示。初始截🔅面(mian)♋位⚽置❤️時,摻混管路(lù)(E，H)的速度COV最大，約爲(wei)17%。而随着截☎️面位置(zhi)向☔管道的下遊移(yí)動，這四種類型的(de)摻混管路的速度(du)COV均穩定在8%附❓近。雖(suī)然四種類👌型的摻(chān)混管路最終穩定(ding)時的COV差别很小，但(dàn)相比摻混管路(E，F，G),摻(chān)混管路(H)的速度COV達(dá)到穩定時所需的(de)距離最短，僅需10D。故(gù)摻混管路H爲最佳(jiā)摻混模型。
 
　　本文設(she)置爲10%的摻混比，穩(wen)态仿真的時候，組(zu)分濃度隻是依賴(lài)于進口流量比。但(dan)在瞬态仿真的時(shí)候，組分濃度不僅(jin)依賴于進口流量(liang)比，還跟流體的運(yùn)動時間、狀态有關(guān)。瞬态計算中，發💯展(zhǎn)階段變化屬于介(jiè)🍉質置換過程(初始(shǐ)管内全部甲烷)，詳(xiáng)細讨論各摻混💋管(guan)路的氫氣🏒濃度演(yǎn)化的過程。而達到(dào)穩定後，沿程🏃的變(biàn)化特征反✂️映的是(shi)氫氣和甲烷分層(ceng)及其滑移效果，氫(qing)氣密度小，相同截(jié)面間壓差會有更(gèng)大的流動速度，摩(mó)爾濃度小📱于進口(kou)流量直接計算值(zhi)。通過對比在相同(tóng)截面位置🌍的摻混(hun)管路A氫濃度(圖4)對(dui)應速度(圖8)以及摻(chan)混管路E的氫濃度(du)(圖12)對應👌速度(圖16)分(fen)⛱️析可得:隻有當二(èr)者摻混均勻後，氣(qi)體組分間相互作(zuò)用，均質、同速運動(dòng)，進口流量直接計(ji)算的摩爾濃度才(cái)與實際相符。計算(suàn)結果氫氣摩爾濃(nóng)度偏低9.8%(入💔口設置(zhi)的10%)，正反映了非均(jun)勻摻混狀态，甚至(zhì)明顯分層結構下(xià)，氫氣流速高過甲(jia)烷，存在明顯介質(zhi)間滑移現象這個(ge)事實。也進一步證(zheng)明摻混效果對真(zhēn)實速度正确和正(zheng)确測量的必要性(xing)。
2.3适應性條件
　　隻有(yǒu)當混合氣體摻混(hun)均勻，且管道内氣(qi)體流速已達😍到🌐充(chōng)❗分穩流的對稱分(fen)布狀态時，才能保(bao)證超聲波流量計(ji)計量🈲的正🔞确率🌈。因(yin)此，本文結合不同(tong)結構的摻混管路(lù)仿真模拟🔴結果，保(bǎo)證超聲流量計計(ji)量😍正确率的推薦(jiàn)安裝🐆位置如表🐉2所(suo)示。由表2可知螺旋(xuán)管的匝數以及變(biàn)徑管位置對流量(liàng)計👉安裝距離的影(ying)響最大。
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3結論
　　爲研(yan)究不同天然氣摻(chan)氫管路結構對超(chāo)聲波流量計安裝(zhuāng)距離的影響，本文(wén)針對不同匝數螺(luó)旋管路、單螺旋結(jie)合變徑管路進行(háng)CFD仿真模拟，得到氫(qing)氣摩爾分數㊙️雲圖(tú)以及反映其摻混(hun)均勻度的μ和COV的變(biàn)化規律，最終得到(dào)最佳🐕摻混模型及(jí)超聲波流量計安(ān)裝距離。具體内容(róng)如下。
(1)對于不同匝(zā)數螺旋管的氣體(ti)流動分析,在0~20D間μ的(de)變化最爲劇烈，即(ji)此時氣體擾動最(zui)爲劇烈，氣體摻混(hùn)主要在這👄一範⛷️圍(wéi)進🐕行。一般螺旋的(de)匝數越多，超聲🌍流(liu)量計安裝距離越(yue)短。當增加到三螺(luo)旋時僅需15D。此後再(zai)增加匝數已無實(shí)際意義，增加到六(liu)螺旋時的超聲流(liu)量計安裝距離仍(reng)💋爲15D。.
(2)對于單螺旋結(jie)合變徑管的氣體(tǐ)流動分析，在0~25D間μ的(de)變化最爲劇烈，此(ci)範圍氣體摻混效(xiào)率更好。相比變徑(jìng)管的類型，其安裝(zhuāng)位置明顯對超聲(sheng)流量計安裝距離(li)影響更大。同樣的(de)☀️膨脹管安裝在前(qián)端(107D)比後端♉(136D)所需的(de)距🚩離少19D，同樣🔴的收(shou)縮管安裝在前端(duan)(96D)比後端(136D)所需的距(ju)離🆚少26D。而同樣位置(zhi)的不同類🔞型變徑(jing)管，其✊超聲流量計(jì)安裝距離差異性(xìng)較小。
(3)不同匝數螺(luo)旋管下，摻混裝置(zhì)C爲最佳摻混模型(xíng)，氫氣流動擴散初(chu)次達到摻混均勻(yún)度μ時，在15D截面處瞬(shun)時氫氣摩爾分數(shù)爲3.9%;單螺旋管結合(he)變徑管下，摻混💔管(guǎn)路H爲💚最佳摻混模(mó)型，氫氣流動擴散(sàn)初次達到摻混均(jun1)勻度μ時，在96D截面處(chu)瞬時氫氣摩爾分(fèn)數爲1.6%。

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