摘要：氫氣作爲(wèi)全球脫碳目标(biao)的重要載體，輸(shū)送量是限制其(qí)大規模應用的(de)主要瓶頸。摻氫(qing)天然氣是實現(xiàn)大流🍉量輸送氫(qing)氣的一種重要(yao)途徑。氫氣的摻(chān)入導緻流速畸(ji)變，降低超聲波(bō)流量計的性能(neng)。以摻入氫氣的(de)甲烷爲主要工(gōng)質，對8種類型摻(chān)㊙️混管路内部的(de)氣體流💋動狀态(tài)進行模拟仿真(zhēn)研究，分析流場(chang)📱内氣體速度和(he)氫氣濃度的分(fen)布狀态;并對超(chāo)聲波流量計 的(de)适應性進行分(fen)析，确定其推薦(jian)安裝位置。在超(chāo)聲流量計📱的适(shì)📧應性分析中，三(san)匝螺旋管時僅(jǐn)需15D;對于單螺旋(xuan)結⁉️合變徑管的(de)适應性影響更(gèng)大，最小需要96D。通(tong)過比較，摻混管(guan)路C爲最佳模型(xing)，摻混均勻時的(de)氫🔞氣摩爾分數(shù)約爲3.9%。可爲超聲(sheng)波流量計在摻(chān)氫天然🧡氣正确(què)計量⁉️方面提供(gong)參考。
　　溫室氣體(ti)排放量增加導(dao)緻全球極端天(tian)氣頻發，碳中✏️和(he)戰略轉型全球(qiu)勢在必行叫。從(cong)《巴黎協定》無碳(tan)未來願景及碳(tan)中和的全⛹🏻‍♀️球目(mù)标網到我國碳(tàn)達峰🔅、碳中和❌的(de)目标問，大規模(mo)氫氣✍️輸送的綜(zong)合能源系統是(shi)實現這些目标(biāo)的有效途徑。可(kě)再生能源大力(li)發展及氫能技(ji)術與産業飛速(su)發展爲🍉氫氣輸(shū)送和應用的快(kuài)速🚶發展提供了(le)條件間。預計到(dao)2050年，全球可再生(shēng)氫能🙇‍♀️能源達到(dào)将近10°kW,全球氫能(neng)😄市值将達到10萬(wàn)👣億美元問。但氫(qīng)能的生産地與(yǔ)使用地🐉嚴🥵重不(bu)匹配導緻氫能(néng)⛷️的發展受限。相(xiang)比傳統高壓瓶(ping)、低溫液化等物(wu)理儲運方式🔞的(de)小輸送量、高成(cheng)本、長🍓耗時7，管道(dao)輸送可實現長(zhang)距離、大規模、低(dī)成本氫氣輸送(song)且供氣量持續(xù)穩定。基于現有(yǒu)天然氣管網設(she)施的優勢，将氫(qing)氣摻入天然氣(qì)管道輸送是解(jie)決🚶氫氣運輸的(de)必然發展趨勢(shi)閣。
　　氫氣的物理(lǐ)和化學性質與(yu)天然氣有較大(dà)差異。氫氣🏒摻入(ru)天然氣改變管(guǎn)道内的氣體狀(zhuàng)态引起溫度、壓(yā)力下降回，影響(xiang)着輸送系統計(ji)量裝置的正确(què)率。因此，對摻氫(qing)天然氣管🐇道輸(shu)送👄過程進行監(jiān)測及計量至關(guan)重😘要。超聲波氣(qì)體流量計具有(yǒu)壓損小、精度高(gao)、響應時間🔞快和(hé)安全大等優點(dian)，在天然氣計量(liàng)領域占據主導(dao)地1011。超聲波流量(liàng)計針對混合氣(qì)體的計量需保(bǎo)證氣體混♋合均(jun1)勻及管道内流(liu)速穩定對稱。
　　目(mù)前全球天然氣(qì)摻氫工業實踐(jian)項目共有39個，輸(shū)送量高達2900噸/年(nián)間。2004年，歐盟開始(shǐ)建設NaturalHy項目進行(hang)天然氣摻氫的(de)應用研究，得到(dào)系統運行的最(zuì)優摻氫比爲20%則(zé)。2017年，英國能源供(gòng)應公司開展“HyDeploy”天(tian)然氣🧑🏽‍🤝‍🧑🏻摻氫項目(mù)，在🙇‍♀️第一階段工(gōng)作證明利用現(xiàn)有👉天然氣管道(dao)加入20%氫🆚氣摩爾(ěr)分數是可行的(de)5。2018年，國内首個天(tian)然氣摻氫示❤️範(fan)項目研究呵，得(dé)到3%~20%之間的任意(yi)摻氫比。這些工(gōng)業實踐項目爲(wèi)大規模天然氣(qì)摻氫進行管道(dao)輸送提供了正(zhèng)确的依據。由💛于(yu)摻氫天然氣屬(shǔ)于易燃易爆氣(qi)體，通常會先利(li)用計算流體力(lì)學理論方法對(dui)摻👌氫天然氣的(de)流場進行分析(xi)，并對超聲波流(liú)量計在😘管道中(zhōng)的适應性進行(háng)數值模拟。Chen等71對(dui)不同雷諾數❄️下(xia)單右彎管和孔(kǒng)闆下遊的氫氣(qi)流動進行模拟(nǐ)分析。流量計🆚位(wei)置越靠近擾動(dòng)裝置，其誤📐差✂️越(yuè)大，增加聲路數(shu)量可有效減少(shao)誤差。Liu等18對管件(jiàn)連接處之後的(de)天然氣流動進(jin)行🔱仿真分析，并(bìng)給出了超聲波(bō)流量計安裝要(yào)求。邵欣等l9對最(zuì)常見的90°單彎頭(tóu)圓管過渡區甲(jiǎ)烷流場的流動(dòng)機理進行分析(xi)。基于此安裝⚽整(zheng)流器可有效改(gai)善管道内流場(chǎng)速度⛷️分布，縮短(duǎn)超聲波流量❤️計(jì)的安裝位置。唐(táng)曉宇等20對90°單彎(wān)管道内空氣流(liu)動狀态進行分(fen)析，随下遊直管(guǎn)距離增加，超聲(shēng)波氣體流🤞量計(jì)的計量偏差逐(zhú)漸減小。當管道(dao)内🏃🏻‍♂️流場分布非(fei)對稱時，會影響(xiang)超聲波計量效(xiào)果。擾動🤞越劇♈烈(liè)，氣體摻混效果(guo)越好。國内外對(duì)于利用超聲波(bō)流量📞計進行摻(chan)氫天然氣計量(liàng)的模拟仿真研(yan)究主要集中在(zai)改進聲道位置(zhi)、數量、設置整流(liú)器、旋流✨器等，從(cong)而縮短超聲波(bo)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流量計的安裝(zhuang)位置。缺少對管(guan)路結構進行改(gai)進，本文❓通過計(jì)算流體動力學(xué)(computationalfluiddynamics,CFD)仿真手段，研究(jiū)摻氣⛹🏻‍♀️天然氣管(guan)道結構爲㊙️螺旋(xuan)管(單螺旋、雙螺(luo)旋、三螺旋、六螺(luó)旋)和單螺旋+變(bian)徑管(膨✂️脹管🌈或(huo)收縮管)内的氣(qì)體混合規律及(ji)速度分💁布:并推(tui)薦了超聲波流(liu)量計在螺旋管(guan)路的安裝位置(zhì)，爲超聲波流量(liang)計的正确計量(liang)提供參考。
1摻氫(qing)天然氣管路模(mó)型
1.1數值仿真模(mo)型建立
　　爲研究(jiū)管路結構對摻(chan)氫天然氣摻混(hùn)狀态影響，本文(wén)在單螺旋👨‍❤️‍👨管摻(chan)混管路的基礎(chǔ)上，使用Design.modeler構建了(le)8種摻混🆚管路的(de)3維模型🈲，如圖1所(suo)示。摻混管路分(fen)别爲不同匝數(shù)螺旋管(單螺旋(xuan)A型、雙螺旋B型、三(sān)🥵螺旋C型、六螺旋(xuan)D型)和單螺旋管(guan)路結合變徑管(guan)路(單螺旋+後膨(peng)脹E型、單螺旋+後(hòu)收縮F型、單螺旋(xuán)+前膨脹G型、單螺(luo)旋+前收🆚縮H型)。由(you)于将🌂密💃🏻度較輕(qīng)氫氣從❗底部充(chong)入天然氣管路(lù)能取得🌈較好的(de)摻混效果，因此(ci)設計從管路底(dǐ)部充入天然氣(qi)。具體參📱數設置(zhi)爲:管路直徑D=100mm,甲(jia)烷入口直徑爲(wei)1D，氫氣入口直徑(jing)爲0.5D，出口👅直徑爲(wèi)1D,螺旋管曲率半(ban)徑爲2D。氫氣入口(kǒu)(支管軸🌂線)距螺(luo)旋管起始截面(miàn)長度爲3D，多匝螺(luó)旋管螺距爲1.5D。膨(peng)脹管長度爲3D，膨(péng)脹管直徑最大(da)處爲.1.5D;收縮管長(zhǎng)度爲3D，收縮管直(zhi)徑最小處爲0.5D。爲(wèi)使氣體充分摻(chan)混，将下遊管路(lù)😘總長度🏃設置爲(wei)150D。在🧡計算不同匝(zā)數螺旋管及單(dan)螺旋管💋路結合(hé)變徑管路結果(guo)時，定義的長度(dù)L是以螺旋.管終(zhong)止截面爲起🈚點(dian)。
 
1.2數學模型
　　氣體(tǐ)流動需滿足連(lián)續性方程、動量(liàng)守恒方程、能量(liang)守恒方程等🚩基(ji)本控制方程。
　　天(tian)然氣和氫氣在(zài)摻混過程及在(zài)管道流動中的(de)連續性方程爲(wèi)🙇🏻
 
　　式中，p爲流體微(wei)元體上的壓力(li);u爲速度矢量;Fx,和(hé)Fy爲微元🌈體在x軸(zhou)，y軸❌和z軸方向上(shang)的力;Txx，Tyx，Tzx，Txy，Tyy，，Tzy:，Txz，Tyz，Tzz爲微元體(tǐ)表面的不同黏(nian)㊙️性應力分量。
　　摻(chān)混過程及在管(guan)道流動中的能(neng)量守恒定律爲(wèi)
 
　　式中，k爲流體傳(chuán)熱系數，Cp爲比熱(re)容，T爲溫度，St爲流(liu)體内熱源🍓和因(yin)黏✌️性作用流體(ti)機械能轉化爲(wei)熱能部分。
　　天然(rán)氣與氫氣摻混(hun)時需開啓組分(fen)運輸，此時管路(lu)中氣體的傳⛹🏻‍♀️播(bo)規律
 
　　其中，ρCw爲組(zǔ)分w的質量濃度(du)，Dw爲組分w擴散系(xi)數。
　　天然氣摻氫(qing)的過程中遵循(xun)理想氣體狀态(tai)方程。
　　由于摻混(hun)過程中的氣體(tǐ)參數(流量、壓力(li)等)發生變化，會(hui)導緻👅摻混氣體(ti)的密度、動力黏(nián)度、狀态方程參(can)㊙️數等産生變化(huà)。具體表達式
 
　　其(qí)中，Pop爲摻混氣體(tǐ)的工作壓力，p爲(wèi)相對于Pop的局部(bù)相😍對壓力，R爲氣(qì)體常數，T爲氣體(tǐ)溫度，Yi爲第i種氣(qi)體的質量分數(shù)，Mɷi爲第i種氣體.的(de)分子質量。
 
　　其中(zhong)，Um爲摻混氣體動(dòng)力黏度，M爲氣體(tǐ)種類數，出爲第(dì)i種氣體的摩爾(ěr)百分比，ui爲第i種(zhong)氣體的動力黏(nian)度，Mi爲第i種✍️氣體(tǐ)的相對分子質(zhi)量
　　本文以摻混(hun)均勻度u和速度(dù)變異系數(coffi-cientofvariation,COV)來評(ping)價混合程度，輸(shu)💘出不同數據采(cai)集線處氫氣濃(nóng)度以及速度。
摻(chan)混均勻度μ計算(suàn)公式爲
 
　　其中，`a爲(wèi)監測點氫氣濃(nong)度測量值的平(píng)均值，n爲取樣截(jié)♌面内所設監測(ce)點總數，a;爲第i個(ge)監測點所得的(de)氫氣濃❤️度值。各(gè)截面内💘設置23個(ge)監測點進行摻(chān)混均勻❄️度μ的統(tong)計計算。
速度COV計(ji)算公式爲
 
　　其中(zhong)，σ爲标準偏差，`c爲(wei)監測點測量值(zhí)的平均值，ci爲第(dì)🙇🏻i個監測點所🌐得(dé)的氣體速度值(zhi)。各截面内設置(zhì)23個監測點進行(háng)🈲速度COV的統💔計計(ji)算。
1.3網格劃分
　　本(ben)文利用ANSYSWorkbench中的Mesh模(mo)塊，選用四邊形(xíng)或三角形網格(gé)法對流體🔞域進(jìn)行網.格劃分。網(wang)格數量對Fluent仿真(zhēn)計算結♈果有至(zhì)關🔴重要的影響(xiang)。理論.上所采用(yòng)的特征尺寸網(wang)格越小，得到的(de)仿真結果越正(zhèng)确。但随着網格(gé)數量的增加，對(dui)計算硬🐇件資源(yuán)的要求更高，而(er)且導緻計算時(shí)間延長，降低求(qiu)解結果的收斂(lian)性。本文以摻💋混(hùn)管路A，E爲代表，分(fen)析稀疏、中等、稠(chou)密三種網格特(tè)點對出口氫氣(qì)濃度變化的影(yǐng)響，進行🌈網格無(wu)關性驗證。結果(guo)如表1所示，随❄️網(wang)格數量增加，不(bú)同🤩網格特點出(chū)口處氫氣摩爾(ěr)分數波動很小(xiǎo)。綜合網格平均(jun)偏斜系數和網(wang)格平均質量📧系(xi)數分析，三種‼️網(wǎng)格特點下的網(wǎng)格質量均滿足(zú)模型需求，可以(yi)忽略網格對✌️仿(pang)真計算結果精(jīng)度的影響。
 
　　基于(yu)上述無關性分(fen)析，本文選用中(zhong)等特點的網格(gé)。網格尺寸爲10mm,單(dan)元數爲1220492個，節點(diǎn)數爲240017個。最終網(wǎng)格平均偏斜系(xì)🐇數爲👌0.20,标準偏差(chà)爲0.11。偏斜系數在(zai)0~1範圍内，越接近(jìn)0網格質量越優(yōu)秀❌。網格平均質(zhi)量👈系數爲0.85，标準(zhun)偏差爲0.09。質量系(xi)數在0~1範圍内，越(yuè)接近1網格質量(liang)越高，網格質量(liang)滿足模型需求(qiú)。
1.4邊界條件設定(ding)
　　湍流模型選用(yòng)最具有适用性(xing)的标準k-ε模型,适(shi)用氣✂️體摻混計(jì)算✨，在減小計算(suan)量的同時保證(zhèng)了計算精度。在(zai)操作條件中設(shè)定溫度爲300K,重力(lì)沿y軸負方向爲(wei)9.8m/s2。管道入口均設(she)置爲速❤️度進口(kǒu)邊界條件，主管(guan)道入口速度爲(wèi)6.75m/s(流量:190.8m3/h)，摻混管道(dao)入口速度爲3m/s(流(liú)量:21.2m3/h);主管道🐕和摻(chān)混管路入口初(chu)始湍流參數一(yī)緻，湍流強度爲(wei)5%，湍流黏度比爲(wèi)10。管道出口設置(zhi)👨‍❤️‍👨爲壓力出口邊(bian)界條件，出口回(huí)流湍流強度爲(wèi)5%，回流湍流黏度(dù)比爲10。水力🌈直⛱️徑(jing)爲0.1m。主管道入口(kǒu)氣體爲純甲烷(wán)，摻🆚混管路入口(kou)氣體爲純氫氣(qì)。将初始内部工(gong)🔞質設爲100%甲烷後(hòu)進行混合初始(shi)化，最後利用SIMPLEC算(suan)法進行計算求(qiú)解。
2結果與分析(xī)
2.1不同匝數螺旋(xuan)管的氣體流動(dong)分析
　　在工程實(shí)踐過程中對氣(qi)體的摻混效果(guǒ)進行評價時，一(yi)般認🈲定當摻混(hùn)均勻度μ≥95%時，氣體(ti)在微觀.上已達(da)到摻混均勻叫(jiào)。如Kong等🍉網以摻混(hùn)均勻度μ是否≥95%，來(lai)判定現有天然(rán)氣管道中摻入(ru)氫氣🔞是否摻混(hùn)均勻。氣體在傳(chuán)輸擴散過程中(zhōng)會改變氣💋體組(zu)分的濃度分布(bu)，同時影響氣體(tǐ)流速分布🔆。甲烷(wán)和氫氣流經螺(luo)旋管🚶摻混管路(lù)時，會受到強烈(lie)二次🔞流以及高(gāo)濃度差的影響(xiang)，加速氣體擴散(sàn)，管路中的氣體(ti)最終向摻混均(jun1)勻的方向發展(zhan)。如圖2所示爲摻(chān)混管路(A，B，C，D)内♈氣體(tǐ)摻混均勻度與(yǔ)螺旋管出口截(jié)面位置的關系(xi)。螺旋管管路的(de)氣體混合均勻(yún)性均随着管路(lu)匝數和摻混距(ju)☁️離的增加呈現(xiàn).上升趨勢。螺旋(xuan)管路的匝數越(yue)多，摻☀️混均勻所(suo)需的摻混距離(li)越短。摻混管路(lu)A和B分别在146D和69D時(shí)實現氣體摻混(hùn)均勻。而當選用(yòng)匝數爲3圈的摻(chan)混管路C時，在螺(luó)旋管出口3D的距(jù)離，摻混均勻度(dù)已經達到摻混(hun)均勻的要求。由(you)此可✍️知，增加㊙️螺(luo)旋管的匝🈲數可(kě)以非常有效地(di)縮短摻混距離(lí)，摻混管路C的效(xiào)果已經非常好(hao)。若再增加匝數(shu)到六螺旋(摻🔴混(hun)管路D)已無實際(jì)意義，反而⛱️會導(dǎo)緻摻混均勻時(shí)的距離增🏃🏻‍♂️加到(dào)15D。
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　　爲了更清晰明(ming)了地觀察天然(rán)氣摻氫混摻管(guǎn)路(A，B，C,D)的摻混過程(cheng)，以四種摻混管(guǎn)路的螺旋管出(chu)口爲起始點，每(mei)🤞隔1D設置一個監(jian)測截🐕面。本文得(de)到數據均是瞬(shun)态仿真的結果(guo)，在初始時刻氫(qing)氣摩爾分數爲(wei)0，表示氫氣還沒(mei)📞擴散至指定位(wèi)置。如圖3所示摻(chan)混裝置C爲🧑🏽‍🤝‍🧑🏻最佳(jia)摻混模型，在15D截(jié)面處，氫氣摩爾(ěr)分📧數随注入時(shí)間，由0到9.8%的變化(hua)過程。氫氣流動(dong)擴散1.03s後，初次達(da)到摻混均勻時(shí)，在15D截面處瞬時(shi)氫氣摩爾分數(shù)爲3.9%。天然氣摻氫(qing)混摻管路A，B,C，D分别(bié)經過3.92s，2.19s，1.50s，2.03s後，氫氣的(de)濃度等于進口(kou)氫氣與甲烷的(de)流量比(仿真結(jié)果是取到9.8%)，表示(shì)💃🏻氫氣已擴散至(zhi)指定位置，并達(da)到穩态。圖4~圖7是(shì)🈲天然氣摻🏒氫混(hùn)摻管路A、B、C、D分别在(zài)2.11s(146D截面處)、1.40s(69D截面處(chù))、1.03s(15D截面處)、1.37s(15D截面處(chu))時刻😄，摻混管路(lu)在不同距離截(jié)面處的氫氣摩(mo)爾分數雲圖，與(yu)穩态時的摩爾(ěr)分數不同。
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　　如圖(tú)4所示摻混管路(lù)A在螺旋管路出(chu)口處渦流作用(yong)非🛀常劇🏒烈，其👈分(fèn)層現象明顯。且(qie)不同于--般氫氣(qì)的上下分層，摻(chān)混管路A中管道(dao)中的氫氣直存(cun)在左右分層，直(zhí)至摻混距離在(zai)140D~150D達🥵到摻混均勻(yún)，此時氫氣摩爾(er)分數均約爲0.8%。圖(tú)5所示摻混管路(lù)B的管路截面氫(qīng)氣濃㊙️度分布變(biàn)化規律與圖4相(xiàng)似，直至摻混🥵距(jù)離在65D~70D達到摻混(hùn)均勻，氫氣基本(běn)不再分層，此時(shí)氫氣摩爾分數(shù)均約爲1.9%。而圖6所(suǒ)示的摻混管路(lu)C在螺✍️旋管道出(chū)口處⭕就已經基(ji)本達到摻🧑🏽‍🤝‍🧑🏻混.均(jun)勻，氫氣已基本(ben)不存在分🌈層，此(cǐ)時氫氣摩爾分(fèn)數均約爲🏃‍♂️3.9%。相比(bi)摻混管路C的三(sān)匝螺旋管，圖7所(suǒ)示摻混管路D增(zeng)加到六匝😘螺旋(xuan)的摻混效果反(fan)而下降。螺旋管(guan)道出口氫氣分(fèn)層，直至摻混15D時(shí)♌達到摻混均勻(yún)，氫氣不再分層(céng)，此時氫氣摩爾(ěr)🔞分數約爲2.0%。
 
 
　　氣體(tǐ)摻混後速度分(fen)布雲圖，如圖8所(suo)示，速度變化受(shòu)👌匝數影☂️響💋較小(xiao)。摻混管路A和B均(jun)約在15D之後，摻混(hun)管路🔴C約在10D之後(hou)，速度💯等高線變(bian)🔴得非常規則，越(yuè)來越趨近于圓(yuán)形，而摻混管路(lù)D約🎯在40D後能☀️達到(dao)同樣效果。此時(shi)這四種類型摻(chān)混管路内的氣(qì)體速度已🐪達到(dao)充分穩流發展(zhan)的狀态，之後基(ji)🏃🏻‍♂️本不再發生🔴變(biàn)化。流速分布很(hěn).合理，距離管道(dào)中心線越♉近其(qí)速度越快⚽，符合(hé)黏性定律。
 
 
　　摻混(hùn)管路(A，B，C，D)速度COV與截(jié)面位置的關系(xi)如圖9所示。随着(zhe)截面位置向🤟下(xia)遊移動，摻混管(guǎn)路(A，B,D)的速度COV一直(zhi)處于波動狀态(tai)，但皆不超過15%。相(xiang)🥰比于A，B和D，摻混管(guǎn)路C内氣體速度(du)分布更爲均勻(yún)，其速度COV-直穩定(dìng)在5%左右。綜合考(kao)慮氣體摻👄混均(jun)勻度μ和速度COV,摻(chān)混管路C爲🛀最佳(jiā)摻混🏃‍♂️模型。
 
2.2單螺(luo)旋結合變徑管(guǎn)的氣體流動分(fen)析
　　如圖10所示爲(wèi)摻混管路(E，F，G，H)的管(guǎn)路内氣體摻混(hùn)均勻度與截面(miàn)🐆位置關系，摻混(hun)管路E，F，G，H是在單螺(luo)旋的基礎上添(tian)加變徑♈管(膨脹(zhang)管或收縮管)，分(fen)别在136D，132D,107D，96D處時實現(xian)氣體摻混均勻(yun)。相比單螺旋管(guan)的146D，在不同位置(zhi)添加任何變徑(jing)管均能在.不同(tóng)程度.上🔴實現縮(suō)短摻混距離✌️的(de)效果。将變徑管(guan)置于單螺旋管(guǎn)之前氣體初步(bù)摻🔅混後再進入(ru)單螺旋管進一(yi)步摻混，明顯比(bi)置于單螺旋管(guǎn)之後更能有效(xiao)地縮短摻混。而(er)氣體進入收縮(suo)管内流動速度(du)會增大，此時的(de)擾動更加劇烈(lie)，有助于氣體摻(chān)混。針對變徑管(guan)位置及類型，摻(chan)混管路H(即前收(shou)縮.管)的摻👉混效(xiao)果更好。
 
本組所(suǒ)得數據是瞬态(tai)仿真的結果，在(zài)初始時
刻氫氣(qi)摩爾分數爲0，表(biǎo)示氫氣還沒擴(kuò)散至指定位置(zhi)。如♉圖11摻混裝置(zhì)H爲最佳摻混模(mó)型，在96D截面處，氫(qing)氣摩爾☁️分數随(suí)注入時間，由0到(dao)9.8%的變化過程。氫(qing)氣流動擴散1.53s後(hou)，初次達到摻混(hùn)均勻時，在96D截面(miàn)處瞬時氫氣摩(mo)爾分數爲1.6%。天然(rán)氣摻氫混摻管(guǎn)路E，F，G，H

　　分别經過3.06s，2.95s，2.94s，2.48s後(hòu)，氫氣的濃度等(deng)于進口氫氣與(yu)甲烷的流👅量比(bǐ)(仿真結果是取(qǔ)到9.5%)，表示氫氣已(yǐ)擴散至指定位(wei)置，并達到穩态(tai)。圖12~圖15是天然氣(qi)摻氫混摻管路(lù)E，F，G，H分别在1.91s、1.89s、1.69s、1.53s時刻，摻(chān)混管路在📱不同(tóng)距離截面處的(de)氫氣摩爾分數(shu)雲🙇‍♀️圖，與穩态時(shí)的摩爾分數不(bu)同。.
 
 
　　對比圖12~圖15，四(si)種類型摻混管(guan)路的管道截面(miàn)氫氣濃度變化(huà)規⭐律很相似。在(zài)螺旋管道出口(kǒu).處氫氣均存在(zài)明顯的左右🔞分(fèn)層🌈現象。但随着(zhe)距離的增加，最(zui)終均能達㊙️到摻(chān)混均勻，氫氣基(ji)本不再有🥵分層(ceng)的狀态。但不同(tong)類型管道達到(dào)此狀态所需的(de)距離不一。如圖(tu)12所示摻混👅管路(lù)E需約130D~140D的距離才(cái)能達到此狀态(tài)，此時氫氣摩爾(er)分數約爲0.9%;圖13所(suǒ)示的摻混管路(lu)F同樣需約130D~140D的距(ju)離達到此🛀🏻狀态(tài)，此時氫氣摩爾(ěr)分數比摻混管(guan)💋路E略大，約爲1%;圖(tú)14所示的摻混管(guǎn)路G需約☁️100D~110D的距離(lí)達到此狀态，此(cǐ)時氫氣摩爾分(fèn)數約爲1.2%;圖15所示(shi)的🔞摻混管路H需(xu)約90D~100D的距離達到(dào)此狀态，此時氫(qīng)氣📧摩爾分數🏃🏻約(yuē)爲1.6%。
氣體摻混後(hou)速度分布雲圖(tu)如圖16所示。管道(dao)尺寸的變化會(huì)導緻内部的氣(qì)體流動速度突(tu)變，使得氣體速(su)度♊穩定下來所(suǒ)需的距㊙️離更遠(yuǎn)。摻混管路E，F，G，H均在(zài)約30D之後，速度等(deng)高線形狀穩定(ding)下來，比單🧡螺旋(xuan)管(15D)的截面距離(lí)大🙇‍♀️一倍。
 

　　摻混管(guǎn)路(E，F，G，H)速度COV與截面(mian)位置的關系如(ru)圖17所示。初始截(jie)面位✌️置☂️時,摻混(hun)管路(E，H)的速度COV最(zui)大，約爲17%。而随着(zhe)截面位置向⛹🏻‍♀️管(guǎn)道🤞的下遊移動(dong)，這四種類型的(de)摻混管❄️路的速(su)度COV均穩定在8%附(fu)近。雖然✍️四種類(lèi)型的摻混管💜路(lù)最終穩定時的(de)COV差🈚别很小，但相(xiang)比摻混管路(E，F，G),摻(chān)混🔞管路(H)的速度(du)COV達到穩定時🔞所(suǒ)需的距離最短(duǎn)，僅需10D。故摻混管(guǎn)路H爲最🌈佳摻混(hun)模型。
 
　　本文設置(zhi)爲10%的摻混比，穩(wen)态仿真的時候(hou)，組分濃度隻是(shi)依賴于進口流(liú)量比。但在瞬态(tài)仿真的時候，組(zu)分濃🆚度不僅依(yī)賴于進口🈲流量(liàng)比，還跟流體的(de)運動時間、狀态(tài)有關。瞬态計算(suan)中，發展階段變(biàn)化屬于介🛀質置(zhi)換過🤩程(初始管(guan)内全部甲💘烷)，詳(xiáng)細讨論各摻混(hùn)管路的氫氣濃(nong)度演化的過程(chéng)。而達到🏃🏻穩定後(hou)，沿程的變化特(te)征反映的是氫(qing)氣和甲烷分層(ceng)及其滑移效果(guǒ)，氫氣密度小，相(xiang)同截面間壓差(chà)會有更大的流(liú)動㊙️速度，摩爾濃(nóng)度小于進口流(liú)量直接計算值(zhi)。通過對比在相(xiang)同截面位置🏃‍♀️的(de)摻混管路A氫濃(nóng)度(圖4)對應🥵速度(du)(圖8)以及摻混管(guǎn)路E的氫濃度(圖(tu)12)對應⭐速度(圖16)分(fèn)析可得:隻有🌏當(dang)二者摻混均勻(yun)後，氣體組分間(jian)相互作用，均質(zhi)、同速運動，進口(kou)流量直接計算(suan)的摩爾濃🈲度才(cái)與實㊙️際相符。計(jì)算結果氫氣摩(mó)爾濃度偏低9.8%(入(rù)口設置的10%)，正反(fan)映了非均勻摻(chan)混狀态，甚至明(míng)顯分層結構下(xià)，氫氣流速高過(guò)甲烷，存在明顯(xian)介質間滑移現(xian)象這個🧑🏾‍🤝‍🧑🏼事實。也(ye)進一步證明摻(chān)混效果對真實(shi)速度正确和正(zheng)确測量的必要(yao)性。
2.3适應性條件(jiàn)
　　隻有當混合氣(qi)體摻混均勻，且(qie)管道内氣體流(liú)速已達到充👉分(fèn)穩🐇流的對稱分(fèn)布狀态時，才能(neng)保證超聲波流(liú)量計計量的正(zheng)确率。因此，本文(wen)結合不同結構(gou)的摻混管路仿(páng)真模拟結果，保(bǎo)證超聲流量計(jì)計量正确率的(de)♊推薦安裝🈲位置(zhi)如表2所示。由表(biǎo)2可知螺旋管的(de)匝數以及變徑(jing)管位⁉️置對流量(liang)計安裝距離的(de)💚影響最大。
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3結論(lun)
　　爲研究不同天(tiān)然氣摻氫管路(lu)結構對超聲波(bo)流量計📧安裝距(ju)離的影響，本文(wén)針對不同匝數(shu)螺旋管路、單螺(luó)旋結合變徑管(guan)路進行CFD仿真模(mo)拟，得到氫氣摩(mó)爾分數雲圖以(yǐ)及反映其摻混(hun)均勻度的μ和COV的(de)變化規律，最終(zhong)得到最佳摻混(hun)模型及超聲波(bō)流量計安裝距(ju)離。具體👈内容如(ru)下。
(1)對于不同匝(za)數螺旋管的氣(qi)體流動分析,在(zài)0~20D間μ的變化最爲(wèi)㊙️劇烈⛹🏻‍♀️，即此時氣(qì)體擾動最爲劇(ju)烈，氣體摻混😄主(zhu)要在這🌈一範圍(wéi)進行。一💚般螺旋(xuán)的匝數越多，超(chāo)聲流量計安裝(zhuāng)距離越短。當增(zeng)加✏️到三螺旋時(shi)僅需15D。此😍後再增(zēng)加匝數已無實(shi)際意義，增加到(dao)六螺旋時的超(chāo)聲流量計安裝(zhuang)距離仍爲15D。.
(2)對于(yú)單螺旋結合變(bian)徑管的氣體流(liú)動分析，在0~25D間μ的(de)變🍉化♉最爲劇♻️烈(lie)，此範圍氣體摻(chān)混效率更好。相(xiang)比變徑管的類(lèi)型，其安裝位置(zhì)明顯對超聲流(liú)量計安裝距離(lí)影響更大。同樣(yang)的膨脹管安裝(zhuāng)在前端(107D)比後端(duān)🏃(136D)所需的距離少(shǎo)19D，同樣的收縮管(guǎn)安裝在前端(96D)比(bǐ)後端(136D)所需的距(ju)離少26D。而同樣位(wei)置的不同類型(xíng)變徑管，其超聲(sheng)流量計安裝距(ju)離差異性較小(xiǎo)。
(3)不同匝數螺旋(xuán)管下，摻混裝置(zhì)C爲最佳摻混模(mo)型，氫氣流動擴(kuo)㊙️散初次達到摻(chan)混均勻度μ時，在(zài)15D截面處瞬時氫(qing)氣摩爾分數爲(wei)3.9%;單螺旋管結合(he)變徑管下，摻混(hùn)管路H爲最佳摻(chan)混模型，氫氣流(liú)動擴散初次達(dá)到摻混均勻度(du)μ時，在96D截面處瞬(shun)時氫氣摩爾分(fèn)🔞數爲1.6%。

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