摘(zhāi)要：氫氣作爲全球(qiú)脫碳目标的重要(yào)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(da)流量輸🏒送氫❤️氣的(de)一種重要途徑。氫(qīng)氣的摻入導緻🏃‍♀️流(liu)速畸變，降低超聲(shēng)波流量計的性能(néng)。以摻入氫氣的甲(jia)烷爲主要工質，對(dui)8種類型摻混管路(lù)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(qing)氣濃度的分🈲布狀(zhuang)态;并對超聲波流(liú)量計 的适應性進(jin)行分析，确定其推(tui)薦安裝位置。在超(chao)聲流量計🚶的适應(ying)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(xiǎng)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(wei)超聲波流量計在(zài)摻氫天然❤️氣正确(què)計量🐪方面提供參(can)考。
　　溫室氣體排放(fang)量增加導緻全球(qiu)極端天氣頻發，碳(tan)✌️中和戰略轉型全(quan)球勢在必行叫。從(cong)《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(zhōng)和的目标問，大規(guī)模氫氣輸送的綜(zōng)合能源系統是實(shí)現這些目标的有(yǒu)效途徑。可再生能(néng)源大力😍發展及氫(qing)能技術與産業飛(fei)速發展爲氫氣輸(shu)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(yuán)達到将近10°kW,全球氫(qīng)能市值将達到10萬(wàn)😘億🐇美元問。但氫能(néng)的🏃‍♂️生産地與使用(yòng)地嚴重不匹配導(dao)緻氫能的發展受(shou)限。相比傳統高壓(yā)瓶、低溫液化等物(wu)理儲運方式的小(xiao)輸送量、高成本、長(zhǎng)耗時7，管道輸送可(ke)實現長距離、大規(gui)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(ru)天然氣管道輸送(sòng)是解決🤟氫氣運輸(shū)的🛀必然發展趨勢(shì)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(gai)變管道内的氣體(tǐ)狀态引起溫度、壓(ya)力下降回，影🔞響着(zhe)輸送⛹🏻‍♀️系統計量裝(zhuang)置的正确率。因此(ci)，對摻氫天👅然氣管(guǎn)道輸送過程進行(háng)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(děng)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(ti)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(xiàng)目共有39個，輸送✔️量(liàng)👅高♌達2900噸/年間。2004年，歐(ou)盟開始建設NaturalHy項目(mù)進行天然氣摻氫(qing)的應⛷️用研究，得到(dao)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(si)開展“HyDeploy”天然氣摻氫(qīng)項目，在第一階段(duan)工作證明利用現(xiàn)有天然氣管道加(jia)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(qing)示範項目研究呵(he)，得到3%~20%之間的任意(yì)摻氫比。這些工業(ye)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(you)⭐于摻氫天然氣屬(shǔ)于易燃易爆🙇🏻氣體(tǐ)，通常會先利用計(jì)算流體力學理論(lun)方法對摻⭐氫天然(ran)氣的流場進行分(fen)析，并對超聲波流(liú)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(lei)諾數下單右彎管(guǎn)和孔闆下遊的氫(qīng)🈲氣流動進行模拟(nǐ)分析。流量計位置(zhì)越靠近擾動裝置(zhì)，其誤差越大，增加(jia)聲路數量可有效(xiao)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(hang)仿真分析，并給出(chū)了超聲波流量計(ji)🌈安裝要求。邵欣等(děng)l9對最常見的90°單彎(wan)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻頭圓管過渡區甲(jiǎ)烷流場的流動機(ji)理進行分析。基于(yu)此安裝整流器可(ke)有效改善管道内(nei)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(you)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(ji)量效果。擾動🈲越劇(ju)烈，氣體摻混效果(guo)越好。國内外對👨‍❤️‍👨于(yú)利用超聲波流量(liang)⛱️計進行摻氫天然(ran)氣計量的模拟仿(pang)真研究🤞主要集中(zhong)在改進聲道位置(zhì)、數量、設置整流器(qì)、旋流器等，從而縮(suo)短超聲🙇‍♀️波流量計(jì)的安裝位置。缺少(shǎo)對管路結構進行(háng)改進，本文🧡通過計(jì)算流體動力學(computationalfluiddynamics,CFD)仿(páng)真手段，研究摻氣(qì)天然氣管道結構(gòu)爲🔞螺旋管(單螺旋(xuan)、雙螺旋、三螺旋、六(liù)螺旋)和單螺旋🧡+變(biàn)徑管(膨脹管🔞或收(shōu)縮管)内的氣體混(hùn)㊙️合規律及速度分(fèn)布:并推薦了超聲(shēng)波流量計在螺旋(xuán)💜管路的安裝位置(zhi)，爲🌈超聲🏃🏻‍♂️波流量計(jì)🌐的正确計量提供(gong)🙇🏻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(yan)究管路結構對摻(chan)氫天然氣摻混狀(zhuang)态影響，本文在單(dan)螺💚旋管摻混管路(lù)的基礎上，使用Design.modeler構(gou)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(xuan)管(單螺旋A型、雙螺(luo)旋B型、三螺旋C型、六(liù)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(suo)F型、單螺旋+前膨脹(zhàng)G型、單螺旋+前收縮(suo)H型)。由于将密度較(jiào)輕氫氣從🚶底部充(chōng)入天然氣管路能(néng)取得較好的摻混(hùn)效果，因此設📱計從(cóng)管路底部充💃🏻入天(tian)然氣。具體參數設(she)置爲:管路直徑D=100mm,甲(jia)烷入口直徑爲1D，氫(qing)氣入口直徑爲0.5D，出(chu)口直徑爲1D,螺旋管(guan)曲率🏃半徑爲2D。氫氣(qì)入口(支管軸線)距(ju)螺旋管起始截面(mian)長度爲3D，多匝螺😄旋(xuán)管螺距爲1.5D。膨脹管(guǎn)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(guan)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(zhǎng)🈲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(guǒ)時，定義的長度L是(shi)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(dòng)量守恒方程、能量(liàng)守恒方程等🔴基本(běn)控制方程。
　　天然氣(qì)和氫氣在摻混過(guo)程及在管道流動(dòng)中的連續性方程(cheng)⛹🏻‍♀️爲👌
 
　　式中，p爲流體微(wēi)元體上的壓力;u爲(wei)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(wei)元體表面的不同(tóng)黏性應力分量。
　　摻(chan)混過程及在管道(dao)流動中的能量守(shǒu)恒定律爲
 
　　式中，k爲(wei)流體傳熱系數，Cp爲(wèi)比熱容，T爲溫度，St爲(wèi)流體内熱源和因(yīn)黏性作用流體機(jī)械能轉化爲熱能(néng)部分♈。
　　天然氣與氫(qing)氣摻混時需開啓(qi)組分運輸，此時管(guan)路中氣體🚶的傳播(bō)規律
 
　　其中，ρCw爲組分(fèn)w的質量濃度，Dw爲組(zu)分w擴散系數。
　　天然(rán)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(can)數(流量、壓力等)發(fā)生變化，會導緻摻(chān)混氣體的密度、動(dòng)力黏度、狀态方程(chéng)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(yú)Pop的局部相👄對壓力(li)⛷️，R爲氣體常數，T爲氣(qì)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(wèi)氣體種類數，出爲(wei)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(wei)第i種氣體的相🏒對(dui)分子質量
　　本文以(yǐ)摻混均勻度u和速(sù)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(jí)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(nèi)🌈所設監測點總數(shu)，a;爲第i個監測點所(suǒ)得的氫氣濃👨‍❤️‍👨度值(zhí)💘。各截面内設置23個(ge)監測點進行摻混(hùn)均勻🚶‍♀️度μ的統計計(jì)算。
速度COV計算公式(shì)爲
 
　　其中，σ爲标準偏(piān)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(ce)點進行速度COV的統(tǒng)計計算。
1.3網格劃分(fen)
　　本文利用ANSYSWorkbench中的Mesh模(mo)塊，選用四邊形或(huo)三角形網格法對(duì)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(jiā)，對計算硬件資源(yuan)的要求更高，而且(qie)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(diǎn)🚩對出口氫氣濃度(dù)變化的影響，進行(hang)網格無關性驗證(zhèng)。結果如表1所示，随(sui)✔️網格數量增加，不(bú)同網格特點出口(kǒu)處氫氣摩爾分數(shù)🐆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(wǎng)格特點㊙️下的網格(gé)質量均滿足模型(xíng)需求，可以忽略網(wǎng)格對仿真計算結(jie)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(zuì)終網格平均偏斜(xié)系數爲0.20,标準偏差(cha)💚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(gé)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(yuè)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(tiao)件設定
　　湍流模型(xíng)選用最具有适用(yòng)性的标準k-ε模型,适(shì)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(jiàn)中設定溫度爲300K,重(zhong)力沿y軸負方向爲(wei)9.8m/s2。管道入口均設置(zhì)爲速度進口邊界(jie)條件，主管道入口(kou)速度爲6.75m/s(流量:190.8m3/h)，摻混(hùn)😄管道入口🧡速度爲(wei)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(kou)設置爲壓力出口(kǒu)邊界條件，出口回(hui)流湍流強度爲5%，回(huí)流湍流黏度比爲(wèi)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(rù)口氣體爲純氫氣(qì)。将初始内部工質(zhì)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(fèn)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(jia)時，一般認定當摻(chān)混均勻度μ≥95%時，氣體(tǐ)在微觀.上已達到(dao)摻混均勻叫。如Kong等(deng)✔️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(nóng)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(shi)，會受到強烈二次(cì)流以及高濃度差(chà)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(guan)路(A，B，C，D)内👉氣體摻混均(jun)勻度與螺旋管出(chu)口截面位置的關(guān)系。螺旋管管路的(de)氣體混合均🌈勻性(xìng)均♈随着管路匝數(shu)和摻混距離的增(zeng)加呈💚現.上升趨勢(shi)。螺旋管路的匝數(shu)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(dāng)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(li)，摻混均勻度已經(jing)達到摻混均勻的(de)要🔴求。由此可知，增(zeng)加螺旋管的匝數(shu)可以非常有效地(dì)縮短摻混距離，摻(chan)混管路C的效🆚果已(yi)經非常好。若再增(zēng)加匝數到六螺旋(xuan)(摻💯混管路D)已無實(shí)際意義，反而🐅會導(dǎo)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(guò)程，以四種摻混管(guan)路的螺旋管出口(kou)爲起始點，每👨‍❤️‍👨隔1D設(shè)置一個監測截面(miàn)。本文得到數據均(jun1)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(zài)15D截面處，氫氣摩爾(ěr)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(shùn)時氫氣摩爾分數(shù)爲3.9%。天然氣摻氫混(hùn)摻管路A，B,C，D分别經過(guò)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(zhēn)結果是取到9.8%)，表示(shi)氫氣已擴散至指(zhi)定位置，并達到穩(wěn)态。圖4~圖7是天然氣(qì)摻氫混摻管路A、B、C、D分(fen)别在2.11s(146D截面處)、1.40s(69D截面(miàn)處)、1.03s(15D截面處)、1.37s(15D截面處(chu))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(ru)圖4所示摻混管路(lù)A在螺旋管路出口(kou)處渦流作用非📞常(chang)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(qì)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(qì)濃💃🏻度分布變化規(gui)律與圖4相似，直至(zhi)摻混距離在65D~70D達到(dào)摻混均勻，氫氣基(jī)本不再分層，此時(shí)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(yi)經基本達到摻混(hun).均勻，氫氣已基❗本(běn)不存在分層，此時(shí)氫氣摩爾分數均(jun)約爲❌3.9%。相比摻混管(guǎn)路C的三匝螺旋管(guǎn)，圖7所示摻混管路(lu)D增加到六匝螺旋(xuán)的摻㊙️混效果反而(er)下降。螺旋管道出(chū)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(ěr)分數約爲⭐2.0%。
 
 
　　氣體摻(chan)混後速度分布雲(yún)圖，如圖8所示，速度(du)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(hùn)管路C約在10D之後，速(su)度等高線變得非(fei)常規則，越來越趨(qu)近于圓形，而摻混(hùn)管路D約在40D後能達(dá)到同樣效果。此時(shí)這四種類型摻混(hùn)管路内的氣體速(sù)度已達到充分穩(wěn)流發展的狀态，之(zhī)後基本不再發生(sheng)變化。流速分㊙️布很(hen).合理，距離管道中(zhong)心線越近其速度(dù)越快🌈，符合黏性定(ding)律。
 
 
　　摻混管路(A，B，C，D)速度(dù)COV與截面位置的關(guan)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(bō)動狀态💁，但皆不超(chāo)💘過15%。相比于A，B和D，摻混(hun)管路C内氣體速度(dù)分布更爲均勻，其(qí)🌍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(su)度COV,摻混管路C爲🙇‍♀️最(zui)佳摻混模型。
 
2.2單螺(luó)旋結合變徑管的(de)氣體流動分析
　　如(rú)圖10所示爲摻混管(guan)路(E，F，G，H)的管路内氣體(tǐ)摻混均勻度☎️與🐆截(jie)♻️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(shí)實現氣體摻混均(jun)勻。相比單螺🍉旋管(guǎn)的146D，在不同🔴位置添(tiān)加任何變徑管均(jun)能在.不同程度.上(shàng)實現縮短摻混距(jù)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(hun)，明顯比置于單🏃螺(luo)旋管之後更能有(yǒu)效地縮短摻混。而(er)氣體進入收💰縮🈲管(guan)内流動速度會增(zēng)大，此時的擾動更(geng)加劇烈，有助于氣(qi)體摻混。針對變徑(jìng)管位置及類型，摻(chān)混管路H(即前收縮(suō).管)的摻混效果更(geng)好。
 
本組所得數據(jù)是瞬态仿真的結(jie)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(tu)11摻混裝置H爲最佳(jia)摻混模型，在96D截面(mian)處，氫氣摩爾分數(shu)随注入時間，由📧0到(dao)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(tiān)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(jin)口氫氣與甲烷的(de)流😍量⭐比(仿真結果(guǒ)是取到9.5%)，表示氫氣(qi)已擴散至指定位(wèi)置，并達🛀🏻到穩态。圖(tu)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(zài)不同距離截面❗處(chù)的氫氣摩爾分數(shù)雲圖，與穩态時的(de)摩爾🌈分數不同。.
 
 
　　對(dui)比圖12~圖15，四種類型(xing)摻混管路的管道(dao)截面氫氣濃🈲度變(bian)🔞化規律很相似。在(zài)螺旋管道出口.處(chu)氫氣均存在明顯(xiǎn)的👣左右分層現象(xiang)。但随着距離的增(zēng)加，最終均能達到(dào)摻混均勻，氫氣基(jī)本不再有分層的(de)狀态。但不同類型(xíng)管道達到此狀态(tai)所需的距離不一(yi)。如♋圖12所示摻混管(guǎn)路E需約130D~140D的距離才(cái)能達到此狀态，此(cǐ)💰時氫氣摩爾分數(shu)約爲0.9%;圖13所示的摻(chan)混管路F同樣需約(yuē)130D~140D的距離達到此狀(zhuàng)态，此時氫氣摩爾(er)分數比摻混管❓路(lù)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(shi)的摻混管路H需約(yuē)90D~100D的距離達到此狀(zhuang)态，此時氫氣摩爾(ěr)分數約爲1.6%。
氣體摻(chan)混後速度分布雲(yún)圖如圖16所示。管道(dào)尺寸的🈲變化㊙️會導(dǎo)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(geng)遠。摻混管路E，F，G，H均在(zài)約30D之後，速度等高(gao)💘線形狀💜穩定下來(lái)，比單☎️螺旋管(15D)的截(jie)面距離大㊙️一倍。
 

　　摻(chan)混管路(E，F，G，H)速度COV與截(jié)面位置的關系如(ru)圖17所示。初始截🌈面(miàn)位置時,摻混管路(lu)(E，H)的速度COV最大，約爲(wèi)17%。而随着截面位置(zhì)向管道的下遊移(yí)✉️動，這四種類型的(de)摻混管路的速度(dù)COV均穩❗定在8%附近。雖(sui)然💁四種類💋型的摻(chān)混管路最終穩定(dìng)時的COV差别很小，但(dan)🔞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(jia)摻混模型。
 
　　本文設(shè)置爲10%的摻混比，穩(wen)态仿真的時候，組(zu)分濃度🈲隻是依賴(lai)于進口流量比。但(dan)在瞬态仿真的時(shí)候，組分濃度不🏒僅(jǐn)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(zhan)階段變化屬于介(jie)質置換過程(初始(shi)管内全部甲烷)，詳(xiang)細讨論各摻混管(guǎn)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(céng)及其滑移效果，氫(qing)氣⚽密度小，相同截(jié)面間壓差💋會有更(geng)大的流動速度，摩(mó)爾濃度小于進口(kǒu)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(chān)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(qì)體組分間相互⁉️作(zuo)用，均質、同速運動(dòng)，進口流量直✔️接計(jì)算的摩爾濃度才(cái)與實際相符。計算(suàn)結果氫氣摩爾㊙️濃(nong)度偏低9.8%(入口設置(zhi)的10%)，正反映了非均(jun1)勻摻混狀态，甚至(zhì)明顯分層結構下(xia)，氫氣流速高過甲(jia)烷，存在明顯介質(zhi)間滑移現象這個(gè)事實。也進一步證(zheng)明摻混效果對真(zhen)實速度正确和正(zhèng)确測量的必要🚶性(xìng)。
2.3适應性條件
　　隻有(you)當混合氣體摻混(hùn)均勻，且管道内氣(qi)體流速已達到充(chōng)分穩🚩流的對稱分(fèn)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(bao)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(xuan)管的匝數以㊙️及變(bian)徑管位置對流量(liang)計安裝距離的影(yǐng)響最大。
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3結論
　　爲研(yán)究不同天然氣摻(chān)氫管路結構對超(chao)聲波流量計👈安裝(zhuang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼距離的影響，本文(wen)針對不同匝數螺(luo)旋管路、單螺旋結(jie)合變🙇🏻徑管路進行(háng)CFD仿真模拟，得到氫(qīng)氣摩爾分數雲圖(tú)以及反映其摻混(hùn)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(ji)超聲波流量計安(an)裝距離。具體♌内容(róng)如下。
(1)對于不同匝(zā)數螺旋管的氣體(tǐ)流動分析,在0~20D間μ的(de)變化最爲劇烈🛀🏻，即(jí)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(liú)量計安裝距離越(yue)短🈚。當增加到三螺(luo)旋時僅需15D。此後再(zài)增加匝數已無實(shí)際意義，增加到六(liù)💜螺旋時的⭕超聲流(liú)量計安裝距離仍(réng)爲15D。.
(2)對于單螺旋結(jie)合變徑管的氣體(ti)流動分析，在0~25D間μ的(de)變化最爲劇烈，此(cǐ)範圍氣體摻混效(xiao)率更好。相比變徑(jìng)管🌐的類型，其安裝(zhuang)位置明顯對超聲(shēng)流量計安裝距離(lí)影響更大。同樣的(de)🤩膨脹管安裝在前(qian)端(107D)比後端(136D)所需的(de)距離少19D，同樣的收(shōu)縮管安裝在前端(duān)(96D)比後端🈲(136D)所需的距(jù)離🐉少26D。而同樣位置(zhì)的不同類型變徑(jing)管，其超聲流量計(ji)安裝距離差異性(xing)較小。
(3)不同匝數螺(luó)旋管下，摻混裝置(zhi)C爲最佳摻混模型(xíng)，氫氣流動擴散初(chū)次達到摻混均勻(yún)度μ時，在15D截面處瞬(shùn)🌈時氫氣摩爾分🐕數(shu)爲3.9%;單螺👣旋管結合(he)變徑管下，摻混🔴管(guan)路H爲最佳摻混模(mó)型，氫氣流動擴散(san)初次達到摻混均(jun1)勻度💯μ時，在96D截面處(chù)瞬時氫氣摩爾分(fen)數爲1.6%。

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