双可凝气体超声速凝结流动规律研究

摘要

超声速旋流分离技术是在传统天然气处理技术的基础上发展起来的新型技术。与传统分离技术相比，具备装置及操作方法简单方便、系统密闭无泄漏、投资运行成本低等优势，因此在当今天然气处理领域应用日益广泛。超声速旋流分离技术的核心是超声速旋流分离器，其中 Laval 喷管又是超声速旋流分离器的重要组成部分。气体流经 Laval喷管时由于低温效应逐渐发生凝结，凝结的发生就实现了喷管内的气液分离。井口采出的天然气是多种组分的混合物，为保证良好的分离效果，需要对多组分气体在Laval喷管中的凝结流动进行分析，并研究影响混合气体凝结流动的各类因素。本文针对天然气中含量最多的两种烃类气体甲烷和乙烷的混合气体进行研究，结合气体动力学及数值传热学等理论，研究分析了双可凝气体在Laval喷管内的凝结流动规律。 本文在经典成核理论的基础上考虑真实气体效应对成核的影响，对经典成核模型进行了修正，建立了适合双可凝气体的超声速凝结成核模型。针对建立的模型编写了相应的C语言程序，并将文献中已有的甲烷-壬烷的参数条件带入到建立的模型中，对甲烷-壬烷的成核过程进行了计算。通过将计算结果与实验结果对比，验证了成核模型的可靠性。除此之外，通过分析，本文选择了Gyarmathy的液滴生长模型。 本文在前人研究的基础上，建立了适合甲烷-乙烷超声速流动的物理模型，并对其可靠性进行了验证。采用ANSYS FLUENT软件，通过编写及设置用户自定义函数UDF以及用户自定义标量 UDS的方法，对双可凝气体的超声速凝结流动过程进行了数值模拟，分析了各凝结参数在喷管内的分布规律。 本文最后研究了入口压力、温度、双可凝气体的组成及出口背压对凝结参数的影响规律。研究结果表明：随入口温度的降低或入口压力的升高，双可凝气体成核的起始位置提前，且最大成核速率增大，液滴数目增加，液滴半径增大，液滴生长率增大，出口湿度增大；随组分中乙烷含量的增大，双可凝气体成核的起始位置提前，最大成核速率增大，液滴数目增加，液滴半径增大，液滴生长率增大，出口湿度增大；出口背压的增大，将导致喷管内产生激波，使喷管内的压力和温度发生突变，破坏了液滴成核及生长的环境，不利于混合气体发生凝结。

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