超音速分离管的研发及其流动与传热传质特性的研究
天然气脱水是天然气进入输送管路前进行集中处理的一个非常重要的环节。通过脱除天然气中的水分，可以有效防止生成气体水合物，避免堵塞管道阀门，减小管路压降，从而保证安全生产。常规的天然气脱水技术有一系列的优点，如分离效果好、除湿深度大、可以达到较低的露点温度等。所以常规方法在一定程度上都得到了广泛的应用。但这些常规方法也存在许多缺点，如设备庞大、投资高、能耗大，还会造成一定的环境污染等。本文介绍了一种全新的天然气脱水技术——超音速分离管技术，并首次对其进行了较为系统深入的理论与实验研究。概括起来，本文主要做了下面几项工作：
对超音速分离管的工作机理及设计进行了系统的理论分析，独立提出了超音速分离管的结构和设计方法。对超音速分离管的设计思路进行了分析，得出了超音速分离管设计的一些基本原则。分别给出了理想气体和实际气体喷管的设计方法。重点介绍了流体为高压、多组分的天然气时，采用BWRS实际气体状态方程作为计算的基本方程对喷管喉部尺寸设计的详细过程。在此基础上，建立了以BWRS状态方程为基础的超音速分离管设计计算方法，申请了国家发明专利、实用新型专利以及国家软件著作权各1项并获得授权。在所开发成功的超音速分离管设计软件中，只要输入天然气各组分的摩尔分数、超音速分离管的入口参数，以及天然气的日处理量，就可以计算出超音速分离管所有部件的控制尺寸，完成超音速分离管的结构设计。
设计并加工了一套超音速分离管，并搭建了室内实验台，进行了系统全面的室内实验研究。实验结果表明，独立提出的超音速分离管的结构是成功的，超音速分离管具有良好的气液分离性能，整个气液分离过程不需要消耗任何外部机械功和化学物质；压损比越大，露点降越大。如果要获得较低的干气出口露点或较大的露点降，那么必须以牺牲一部分初始压力作为代价；保持超音速分离管入口流量为临界流量是保证超音速分离管具有良好气液分离性能的必要条件；压损比、激波产生的位置是影响超音速分离管工作性能的关键。改进旋流器的设计，使其摩阻尽量小，从而使激波向远离Laval喷管喉部方向移动，可以有效改善分离管的工作性能。在目前所设计的三个旋流器中，旋流器A的分离效果最好。采用旋流器A时分离管可达到的最大露点降为22℃，缺点是其阻力特性较差；旋流器B、C的分离效果稍差，采用旋流器B、C时分离管可达到的最大露点降仅为18℃和16℃，但它们的阻力特性较好。此外，对超音速分离管内部流动过程进行了气体动力学分析，理论分析结果与实验结果在定性上是吻合的，说明理论模型是可行的，可以用来推断实际超音速分离管的工作性能，这为进一步改善超音速分离管的设计提供了理论基础。同时，理论分析认为，尚需要通过进一步的研究来改善超音速分离管的结构设计，从而改善超音速分离管的工作性能。
建立了超音速分离管内二维稳态绝热流动的数学模型，对不同几何尺寸的超音速分离管进行了分析计算。对现有湍流模型进行了较为系统地分析，在此基础上，忽略超音速分离管内部的相变过程，并选用雷诺应力输运方程(RSM模型)对超音速分离管内部流动进行了数值计算，计算结果与实验结果基本吻合，计算所得到的超音速分离管内部流动参数的变化规律与气体动力学分析的结论一致。并且，对不同几何尺寸的超音速分离管进行了分析计算，结果表明，Laval喷管渐缩段长度、渐扩段长度、扩压段长度，以及扩压段出口直径对超音速分离管内部流动特性影响不大；Laval喷管渐扩段出口直径以及分离段的长度对超音速分离管内部流动特性有重要影响，这为进行超音速分离管的几何结构优化提供了理论依据。
对超音速两相凝结流动的特点及水蒸汽状态方程、液滴表面张力、液滴密度和汽—液相间的平衡条件等因素进行了深入的分析，推导出了汽相服从维里方程、液滴表面张力是温度和液滴半径函数的经典成核率修正公式。经过修正的成核率公式采用维里方程计算气相的物性、采用Benson-Shuttleworth模型计算液滴的表面张力、采用与温度相关的液滴密度计算公式计算液滴的密度，从而使得该公式较经典成核率公式更加符合实际条件。对液滴生长的基本概念与数学模型进行了分析，并介绍了Gyarmathy液滴生长模型。
建立了超音速分离管内超音速多组分凝结流的物理数学模型并进行了数值计算，首次比较系统地探讨了超音速分离管内成核之后的多组分凝结气流如何向湿饱和状态转化、凝结过程中Wilson点之后气流参数的变化规律，以及激波对流动特性的影响，并首次给出了定量计算结果。详细介绍了数值求解多组分超音速两相凝结流动基本方程组的方法、计算程序框架以及计算程序的特点。将上述模型的计算结果与实验结果进行了对比，结果表明数学模型能够正确反映超音速两相凝结流场中流动参数的分布特征。采用多组分超音速两相凝结流动数值求解程序对实际的超音速分离管进行了计算，并且对计算结果的可靠性进行了分析，认为所采用的数学模型和数值计算方法是可靠的，计算结果正确反映了超音速分离管内部流动参数的变化规律。根据数值分析结论，对超音速分离管的设计提出了一些有用的建议。
天然气脱水;超音速;凝结流动;分离管;传热传质
北京工业大学
博士
热能工程
刘中良
2006
中文
TK123
153
2006-12-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）