摘要：氫氣作爲(wei)全球脫碳目标(biao)的重要載體，輸(shū)送量是👨‍❤️‍👨限制♌其(qi)🐕大規模應用的(de)主要瓶頸。摻氫(qīng)天然氣是實現(xiàn)大流量輸送氫(qīng)🌈氣的一種重要(yào)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(néng)。以摻入氫氣的(de)甲烷爲主要工(gong)質，對8種類型摻(chan)混管路内🌈部的(de)氣體流🔞動狀态(tài)進行🔴模拟仿真(zhen)研究，分析流場(chǎng)内氣體速度和(he)⛷️氫氣濃度的分(fèn)👅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(chao)聲流量㊙️計的🤩适(shì)應性分析中，三(san)匝螺旋管時僅(jin)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(guǎn)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(chan)氫天然氣正确(que)計量方面提供(gong)參考。
　　溫室氣體(tǐ)排放量增加導(dao)緻全球極端天(tiān)氣頻發，碳中🔞和(hé)戰略轉型全球(qiú)勢在必行叫。從(cóng)《巴黎協定》無碳(tan)未來願景及碳(tàn)中和的全球目(mù)标網到我國碳(tan)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(ke)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(dào)2050年，全球可🥰再生(shēng)氫能㊙️能源達到(dào)将近10°kW,全球氫能(néng)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(neng)♈的發展受限。相(xiang)比傳統高壓瓶(ping)、低溫液化等物(wù)理儲運方式的(de)小輸送量、高成(chéng)本、長耗時7，管道(dào)輸送可實現㊙️長(zhǎng)距離、大規🌈模、低(dī)成本氫氣輸送(sòng)且供氣量持續(xu)穩定。基于現有(you)天然💛氣🛀管網設(she)施的優勢，将氫(qīng)氣摻入天然氣(qì)管道輸送是🈲解(jiě)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(yǔ)天然氣有較大(da)差異。氫氣摻♍入(rù)天💋然氣改變管(guǎn)道内的氣體狀(zhuàng)态引起溫度、壓(ya)力下降回，影✂️響(xiang)着輸送系統計(jì)量裝置的正确(que)率。因此，對摻氫(qing)天然氣管道輸(shū)送過程進行監(jian)測及計量至關(guān)重要。超聲波氣(qì)體流量🈲計具有(you)壓損小、精度高(gāo)、響應時間🏒快和(he)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(liang)計針對混合氣(qì)體的計量需保(bao)證氣體混合均(jun1)勻及管道内流(liu)速穩定對稱。
　　目(mu)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(nian)間。2004年，歐盟開始(shǐ)建設NaturalHy項目進行(háng)天然氣摻氫的(de)應用研究，得到(dao)系統運行的最(zui)優摻氫比爲20%則(zé)。2017年，英國能源供(gong)應公司開展“HyDeploy”天(tian)然氣摻氫項目(mu)，在第一階段工(gong)作證明利用現(xiàn)有天然氣管💋道(dào)加入20%氫☎️氣摩爾(er)分數是可行的(de)5。2018年，國内首個天(tiān)然氣摻氫示☀️範(fan)項目研究呵📞，得(de)到3%~20%之間的任意(yì)摻氫比。這些工(gong)業實踐項目爲(wei)大規模天然🙇‍♀️氣(qi)摻氫進行管道(dao)輸送提供了正(zhèng)确的依據。由于(yú)摻氫天然氣屬(shu)于易燃易爆氣(qi)體，通常會先利(li)用計算流體力(li)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(zhong)的适🌂應性進行(háng)數值模拟。Chen等71對(duì)不同雷諾數🔴下(xià)單右彎管和孔(kǒng)闆下遊的氫氣(qì)流動進行模拟(ni)分析。流量計位(wei)置越靠近擾動(dong)裝置，其誤差越(yue)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(jìn)行仿真分析，并(bìng)給出了超聲波(bo)流量計安裝要(yào)⁉️求。邵欣等l9對最(zui)常見的90°單彎頭(tóu)圓管過渡區甲(jiǎ)烷流場的流動(dong)機理進行分析(xi)。基于此安裝🙇🏻整(zheng)流器可有效改(gǎi)善管道内流場(chang)速度分布，縮💰短(duǎn)超☂️聲波流量🐕計(ji)的安裝位置。唐(tang)曉宇等20對90°單🏃‍♂️彎(wān)管道🐪内空氣流(liú)動狀态進行分(fen)析，随下遊直管(guǎn)距離增加，超聲(sheng)波氣體流量計(ji)的計量偏差逐(zhu)漸減小。當管道(dao)内✌️流場分布非(fēi)對稱時，會影響(xiǎng)超聲波計量效(xiao)果。擾動🈲越劇✌️烈(lie)，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(liang)的模拟仿真研(yán)究♈主要集中✂️在(zai)改進聲道位置(zhi)、數量、設置整流(liu)器、旋流器等，從(cong)而縮😍短超聲波(bo)😘流量計的安裝(zhuāng)位置。缺少對管(guǎn)路結構進行改(gǎi)進，本文🈚通過☀️計(ji)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(biàn)徑管(膨脹管或(huò)收縮管)内的氣(qì)體混合規律及(jí)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(liàng)計的正确計量(liàng)提供參考。
1摻氫(qīng)天然氣管路模(mó)型
1.1數值仿真模(mo)型建立
　　爲研究(jiu)管路結構對摻(chān)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(suǒ)示。摻混管路分(fèn)别爲不⭐同匝數(shù)螺旋管(單螺旋(xuán)A型、雙螺旋B型、三(sān)螺旋C型、六螺旋(xuán)D型)和單螺旋管(guan)路結合變徑管(guǎn)路(單螺旋+後膨(peng)脹E型、單螺旋+後(hòu)㊙️收縮F型、單螺旋(xuan)+前膨脹G型、單螺(luo)旋+前收🔴縮H型)。由(you)于将👌密度較輕(qing)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(cǐ)設👉計從管路底(di)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(jìng)🔱爲0.5D，出口直徑爲(wei)1D,螺旋管曲率半(bàn)徑爲2D。氫氣入口(kǒu)(支管軸線)距螺(luó)旋管起始截面(mian)長度爲3D，多匝螺(luo)旋管螺距爲⛷️1.5D。膨(péng)脹管長度爲3D，膨(peng)脹管直徑最🧡大(da)處爲.1.5D;收縮管長(zhang)度爲3D，收縮管直(zhi)徑最小處爲0.5D。爲(wei)使氣體充分摻(chan)混，将下遊管路(lu)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(he)變徑管路結果(guǒ)時，定義的長度(dù)L是以螺💋旋.管終(zhong)止截面爲起點(diǎn)。
 
1.2數學模型
　　氣體(ti)流動需滿足連(lian)續性方程、動量(liàng)守恒方程、能量(liàng)守恒方💁程等基(ji)本控制方程。
　　天(tiān)然氣和氫氣在(zai)摻混過程及在(zài)管道流動中的(de)連✍️續性方🈲程🍓爲(wei)
 
　　式中，p爲流體微(wei)元體上的壓力(lì);u爲速度矢量;Fx,和(he)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(ti)表面的不同黏(nian)性應力分量。
　　摻(chān)混過程及在管(guǎn)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(rè)容，T爲溫度，St爲流(liú)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(ran)氣與氫氣摻混(hun)時需開啓組分(fèn)運輸，此時管路(lù)中氣體🛀的傳播(bō)規律
 
　　其中，ρCw爲組(zu)分w的質量濃度(dù)，Dw爲組分w擴散系(xi)數。
　　天然氣摻氫(qīng)的過程中遵循(xún)理想氣體狀态(tài)方程。
　　由于摻混(hun)過程中的氣體(ti)參數(流量、壓力(li)等)發生變化，會(huì)導緻♍摻混氣體(tǐ)的密度、動力黏(nian)度、狀态方程參(cān)📧數等産生變化(hua)。具體表達式
 
　　其(qi)中，Pop爲摻混氣體(ti)的工作壓力，p爲(wei)相對于Pop的局部(bù)相對😘壓力，R爲氣(qì)體常數，T爲氣體(ti)溫度，Yi爲第i種氣(qì)體的質🛀量分數(shu)，Mɷi爲🌈第i種氣體.的(de)分子質量。
 
　　其中(zhōng)，Um爲摻混氣體動(dong)力黏度，M爲氣體(tǐ)種類數，出爲第(di)i種氣體的摩爾(ěr)百分比，ui爲第i種(zhǒng)氣體的動力黏(nián)度，Mi爲第i種🌈氣體(tǐ)的相對分子質(zhì)量
　　本文以摻混(hun)均勻度u和速度(dù)變異系數(coffi-cientofvariation,COV)來評(píng)價混合程度，輸(shū)出不同數據采(cǎi)集線處氫氣濃(nong)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(ping)均值，n爲取樣截(jié)面内🔴所😍設監測(cè)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(gè)監測點進行摻(chan)混均勻度μ的統(tǒng)計計算。
速度COV計(ji)算公式爲
 
　　其中(zhong)，σ爲标準偏差，`c爲(wèi)監測點測量值(zhi)的平均值，ci爲第(di)i個監測點所得(de)的氣體速度值(zhí)。各截面内設置(zhì)23個監測點進行(hang)速度COV的統計計(ji)算。
1.3網格劃分
　　本(běn)文利用ANSYSWorkbench中的Mesh模(mó)塊，選用四邊形(xing)或三角形網格(ge)法對流體域👅進(jìn)行網.格劃分。網(wǎng)格數量對Fluent仿真(zhen)計算結果有至(zhì)關重要🔞的影響(xiǎng)。理論.上所采用(yòng)的特征尺寸網(wǎng)格越小，得到的(de)仿真結果越正(zhèng)确。但随着網格(ge)數量的增加，對(duì)計算硬件資源(yuan)的🌈要求更高☂️，而(er)且導緻計算時(shí)間延長，降低求(qiú)解結果的收斂(liǎn)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(ying)響，進行網格無(wu)關性驗證。結果(guǒ)如表1所示，随網(wang)格數量增加，不(bu)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(jun1)偏斜系數和網(wǎng)格平❗均質量系(xì)數分析，三種網(wang)格特點下的網(wǎng)格質量均滿足(zu)模型需求，可以(yǐ)忽略網格對仿(páng)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(zhōng)等特點的網格(gé)。網⛹🏻‍♀️格尺寸♊爲10mm,單(dān)元數爲1220492個，節點(dian)數爲240017個。最終網(wǎng)格平均偏💰斜系(xi)數爲0.20,标準偏差(cha)爲0.11。偏斜系數在(zài)0~1範圍内，越接近(jin)0網格質量越優(you)秀。網格平均質(zhì)量系數爲0.85，标準(zhǔn)偏差爲0.09。質量系(xì)數在0~1範圍内，越(yue)⚽接近1網格質量(liàng)越高，網格質量(liang)滿足模型需求(qiú)。
1.4邊界條件設定(dìng)
　　湍流模型選用(yòng)最具有适用性(xìng)的标準k-ε模型,适(shì)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(zài)操作條件中設(shè)定溫度爲300K,重力(li)沿y軸負方向爲(wei)9.8m/s2。管道入口均設(shè)置爲速度進口(kou)邊界條㊙️件，主管(guǎn)道入口速度爲(wei)6.75m/s(流量:190.8m3/h)，摻混管道(dao)入口速度爲3m/s(流(liu)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(wei)🌏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(wei)5%，回流湍流😄黏度(dù)比爲10。水力直徑(jìng)爲0.1m。主管道入口(kou)氣體爲純甲烷(wán)，摻混管路入口(kǒu)氣體爲純氫氣(qi)。将初始内部工(gong)🥰質設爲100%甲烷後(hòu)進行📞混合初始(shǐ)化，最後利用SIMPLEC算(suan)法進行計算求(qiú)解。
2結果與分析(xi)
2.1不同匝數螺旋(xuán)管的氣體流動(dòng)分析
　　在工程實(shi)踐過程中對氣(qì)體的摻混效果(guo)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(dá)到摻混均勻叫(jiao)。如Kong等網以摻混(hun)均勻度μ是否≥95%，來(lai)判定現有天👣然(ran)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(zhong)會改變氣體組(zǔ)分的濃度分布(bù)，同時影響氣體(tǐ)流速分布。甲烷(wan)和氫氣🔞流經螺(luó)旋管摻混管路(lu)時，會受到強烈(liè)二次流以及高(gao)濃度㊙️差的影響(xiǎng)，加速氣體擴散(san)，管路中的氣體(ti)最終向摻混均(jun)⛷️勻的方向發展(zhan)。如圖2所示爲摻(chan)混管路(A，B，C，D)内氣體(tǐ)摻混均勻度與(yu)螺旋管出口截(jie)面位置的關系(xi)。螺旋管管路的(de)氣體混合均勻(yun)性均随着管路(lù)匝數和摻混距(ju)離的增加呈現(xiàn).上升趨勢。螺旋(xuán)管路的匝數越(yuè)多，摻混均勻所(suǒ)需的摻混距離(li)越短。摻混管路(lu)A和B分别在146D和69D時(shi)實現氣體摻混(hun)均勻。而當選用(yòng)匝數爲3圈的摻(chān)混管路C時，在螺(luo)旋管出口3D的距(jù)離，摻混均勻度(dù)已經達到摻混(hùn)均勻的要求。由(you)此可知，增加螺(luó)旋管的匝數可(kě)以非常🚶有效地(di)縮短摻混距離(li)，摻混🔅管路C的效(xiao)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(ji)意義，反而會導(dǎo)緻摻混均勻時(shi)的距離增加到(dao)15D。
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　　爲了更清晰明(ming)了地觀察天然(ran)氣摻氫混摻管(guan)路(A，B，C,D)的摻混過程(chéng)，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(dé)到數據均是瞬(shun)态仿真的結果(guǒ)，在初始時刻氫(qing)🔆氣摩爾分數爲(wei)0，表示💚氫氣還沒(méi)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(jie)面處，氫氣摩爾(er)分數随注入時(shi)間，由0到9.8%的變化(huà)過程。氫氣流動(dòng)擴散1.03s後，初次達(dá)到摻❄️混均勻時(shi)，在15D截面處瞬時(shi)氫氣摩爾分數(shu)爲3.9%。天然氣摻氫(qīng)混摻管路A，B,C，D分别(bie)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(jie)果是取到9.8%)，表示(shì)✔️氫氣✉️已擴散至(zhì)指定位置，并達(dá)到穩态。圖4~圖7是(shi)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(lù)在不同距離截(jié)🌈面處的氫氣摩(mo)爾分數雲圖，與(yǔ)穩态時的摩爾(er)分數不同。
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　　如圖(tú)4所示摻混管路(lu)A在螺旋管路出(chū)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(dào)⛷️中的氫氣直存(cun)在左右分🐪層，直(zhi)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(tu)5所示❓摻混管路(lu)♍B的管路截面氫(qīng)氣濃度分布變(bian)化規律與圖4相(xiang)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(shu)均約爲1.9%。而😍圖6所(suo)示☂️的摻混管路(lu)C在螺旋管道出(chu)口處就🛀🏻已經基(jī)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(fen)數🔅均約爲3.9%。相比(bǐ)摻混管路C的三(san)✔️匝螺旋管，圖7所(suo)示🚶摻混管路D增(zeng)加到六匝螺旋(xuán)的摻混效果反(fǎn)而下降。螺旋管(guǎn)道出口氫氣分(fen)層，直至摻混15D時(shí)🌂達到摻混均勻(yún)，氫氣不再分層(ceng)，此時氫氣摩爾(er)分數約爲2.0%。
 
 
　　氣體(tǐ)摻混後速度分(fen)布雲圖，如圖8所(suǒ)示，速度變化受(shou)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(hòu)，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(dào)同樣效果。此時(shi)這四種類型摻(chan)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(hen).合理，距離管道(dào)中心線越近其(qi)速度越快，符合(hé)黏性定律。
 
 
　　摻混(hun)管路(A，B，C，D)速度COV與截(jie)面位置的關系(xi)如圖9所示。随着(zhe)截面位置向下(xià)遊移動，摻混管(guan)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(guan)路C内氣體速度(dù)分布更爲均勻(yun)，其🐅速度COV-直穩定(dìng)在5%左右。綜合考(kǎo)慮氣體摻混均(jun)勻度μ和速度COV,摻(chān)🔞混管路C爲🐉最佳(jia)摻混📞模型。
 
2.2單螺(luó)旋結合變徑管(guǎn)的氣體流動分(fèn)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(hun)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(tiān)加🌏變徑管(膨脹(zhang)管或收縮管)，分(fèn)别在136D，132D,107D，96D處時實現(xian)氣體摻混均勻(yún)。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(tong)程度.上實現縮(suo)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(guan)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(liè)，有助于氣體摻(chan)混。針對變徑管(guǎn)位置及類型，摻(chān)混管路H(即前收(shōu)縮.管)的摻混效(xiào)果更好。
 
本組所(suǒ)得數據是瞬态(tài)仿真的結果，在(zai)初始時
刻氫氣(qì)摩爾分數爲0，表(biao)示氫氣還沒擴(kuò)散至指定位置(zhì)。如圖11摻混裝置(zhi)H爲最佳摻混模(mo)型，在96D截面處，氫(qing)氣摩爾分數🚶随(sui)注🛀入時間，由0到(dào)9.8%的變化過程。氫(qing)氣流動擴散1.53s後(hòu)，初次達到摻混(hùn)均勻時，在96D截面(mian)處瞬時氫氣摩(mó)爾分數爲1.6%。天然(ran)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(hòu)，氫氣的濃度等(děng)于進口氫氣與(yǔ)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(wèi)置，并達到穩态(tài)。圖12~圖15是天然氣(qì)摻氫混摻管路(lu)E，F，G，H分🏃别在1.91s、1.89s、1.69s、1.53s時刻，摻(chan)混管路在不同(tong)距離截面❗處的(de)氫氣摩爾分數(shu)雲圖，與穩态🌏時(shi)的摩爾分數不(bu)同。.
 
 
　　對比圖12~圖15，四(si)種類型摻混管(guǎn)路的管道截面(mian)氫氣濃度變化(hua)規⭐律很相似。在(zai)螺旋管道出口(kǒu).處氫氣均存在(zai)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(chan)混均勻，氫氣基(jī)本不再有分層(céng)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(tú)12所示摻混管路(lù)E需約130D~140D的距離才(cai)能達到此狀态(tai)，此時氫氣摩爾(ěr)分數約爲0.9%;圖13所(suǒ)示的摻混管路(lù)F同樣需約130D~140D的距(ju)離♌達到此狀态(tai)，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(guan)路G需約⛹🏻‍♀️100D~110D的距離(lí)達到此狀态，此(cǐ)時氫氣摩爾分(fen)數約爲1.2%;圖15所示(shì)的摻混💋管路H需(xu)約90D~100D的距離達到(dao)此狀态，此時氫(qīng)氣📧摩爾分數約(yue)爲1.6%。
氣體摻混後(hou)速度分布雲圖(tu)如圖16所示。管道(dào)尺寸的變化會(huì)導緻内部的氣(qi)體流動速度突(tu)變，使得氣體🐉速(sù)度穩定下來所(suǒ)需的距離更遠(yuan)。摻混管路E，F，G，H均在(zai)約30D之後，速度等(děng)高線形狀穩定(dìng)下來，比單螺旋(xuán)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(miàn)位置的關系如(rú)圖17所示。初始截(jie)🔴面位置時,摻混(hun)管路(E，H)的速度COV最(zuì)大，約爲17%。而随着(zhe)截㊙️面位置向管(guan)道的下遊移動(dòng)，這四種類型的(de)摻混管🚶‍♀️路的速(sù)度COV均穩定在8%附(fù)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(dù)COV達到穩定時所(suǒ)需的距離最短(duan)，僅需10D。故摻混管(guan)路H爲最佳摻混(hùn)模型。
 
　　本文設置(zhì)爲10%的摻混比，穩(wen)态仿真的時候(hou)，組分濃度隻☎️是(shì)依賴于進口流(liu)量比。但在瞬态(tai)仿真的時候，組(zǔ)分濃度不僅依(yī)賴于進口流量(liang)比，還跟流體的(de)運動時間、狀态(tai)有關。瞬态計♋算(suan)中，發展階段變(bian)化屬于介質置(zhi)換過程(初始管(guǎn)内全部甲烷)，詳(xiang)細讨🚶‍♀️論各摻混(hùn)管路的氫氣濃(nóng)度演化的過程(chéng)。而達到穩定後(hou)，沿程㊙️的變化特(tè)征反映的是氫(qīng)氣和甲烷分層(céng)及其滑移🐉效果(guo)，氫氣密度小，相(xiàng)同截面間壓差(chà)會有更大的流(liú)👅動速度，摩爾濃(nong)度小于進口流(liu)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(dù)(圖8)以及摻混管(guan)路E的氫濃度(圖(tu)12)對應💃速度(圖16)分(fèn)析可得:隻有當(dāng)二者摻混均勻(yún)後，氣體組分間(jiān)相互✂️作用，均質(zhi)、同速運動，進口(kǒu)流量直接計算(suan)的摩爾濃度才(cai)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(xiǎn)介質間滑移現(xiàn)🌈象這個事實。也(ye)進一步證明摻(chān)混效果對真實(shí)速度正确和正(zheng)确測量的必要(yao)性。
2.3适應性條件(jian)
　　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(gòu)的摻混管路仿(páng)真模拟結果，保(bao)證超聲💃流量計(ji)計量正确率的(de)推薦安裝位置(zhì)如表2所示。由表(biǎo)2可知螺旋管的(de)匝數以及變徑(jìng)管位置對流量(liàng)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(tian)然氣摻氫管路(lu)結構對超聲波(bo)流量計安裝距(jù)離🔱的影響，本文(wen)針對不同匝數(shù)螺旋管路💁、單螺(luo)旋結合變徑管(guan)🐪路進🐉行CFD仿真模(mo)拟，得到氫氣摩(mo)爾分數雲圖以(yi)及反映其摻混(hùn)均勻度的μ和COV的(de)變化規律，最終(zhōng)🛀得到最佳摻混(hùn)模型㊙️及超聲波(bo)流量計安裝距(ju)離。具體内容如(rú)下。
(1)對于不同匝(zā)數螺旋管的氣(qi)體流動分析,在(zai)0~20D間μ的變化最爲(wei)劇烈，即此時氣(qì)體擾動最爲劇(ju)烈，氣體摻混主(zhǔ)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(zhuang)距離越短。當增(zeng)加到三螺🐆旋時(shi)僅需15D。此後再增(zeng)加匝數已無實(shí)際意義，增加到(dào)六螺旋時的超(chao)聲流量計安裝(zhuang)距離仍爲15D。.
(2)對于(yú)單螺旋結合變(biàn)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(xiàng)比變徑管㊙️的類(lei)型，其安裝位置(zhi)明顯對超聲流(liú)量計安裝距離(li)影響更大。同樣(yang)的膨脹管安裝(zhuang)在前端(107D)比後端(duan)🏃‍♀️(136D)所需的距⛹🏻‍♀️離少(shǎo)19D，同樣的收縮管(guǎn)安裝在前💃🏻端(96D)比(bi)後端✨(136D)所需的距(jù)離少26D。而同樣位(wèi)置的不同類型(xing)變徑管，其超聲(sheng)流量計安裝距(jù)離差異性較小(xiao)。
(3)不同匝數螺旋(xuán)管下，摻混裝置(zhi)C爲最佳摻混模(mo)型，氫氣流🍉動擴(kuo)散初次達到摻(chān)混均勻度μ時，在(zài)15D截面處瞬時氫(qīng)氣摩👈爾分數爲(wèi)💯3.9%;單螺旋管結合(hé)變徑管下，摻混(hun)🤟管路H爲最佳摻(chān)♍混模型，氫氣流(liú)動擴散初次達(da)到摻混均勻度(dù)🔆μ時，在96D截面處瞬(shun)時氫氣摩爾分(fen)數爲1.6%。

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