许佳伟 明红芳（中海石油气电集团技术研发中心，北京 100028）

IFV凝结器单根换热管流动CFD模拟分析

许佳伟 明红芳（中海石油气电集团技术研发中心，北京 100028）

分别用FLUENT和常用换热关联式对超临界LNG管内对流换热进行计算，并将二者计算结果进行对比。结果表明：LNG管内气化过程中，由于密度的变化导致管内流速增加，但在出口处速度增加趋于平缓；计算所得U型管的压降明显高于直管，管内LNG沿轴向截面平均温度基本相同。研究结果可为IFV传热机理研究提供参考。

IFV凝结器；LNG；FLUENT；数值模拟

将液化天然气（LNG）进行气化处理的气化器主要有：中间介质气化器（IFV）、开架式气化器（ORV）、浸没燃烧式气化器（SCV）以及空温式气化器（AAV）。

IFV主要由蒸发器、凝结器和调温器三部分构成。海水从调温器进入，将热量传递给中间介质，。LNG从蒸发器进入，中间介质在上部LNG流动管外凝结使LNG液体气化[1]。海水的热量间接传递给LNG。海水从蒸发器排出，LNG从蒸发器进入气化后再进入调温器中被加热后排出，调温器中海水和LNG呈逆流布置以强化换热[2]。

1 研究模型及数值计算

1.1 数学模型

在IFV凝结器中，LNG在管内流动并与管外中间介质换热。模拟中用纯甲烷代替LNG。LNG进口温度为-165℃。甲烷临界压力为4.6MPa，管内LNG压力为12.2MPa，入口温度低于临界温度，出口温度高于临界温度。所以这是一个在高压力下跨临界温度的换热过程。LNG升温过程中，在假拟临界温度-49℃附近，物性剧烈变化，相应的换热特性也有很大变化，故将其升温过程以假拟临界温度为界，分为凝结器一区和凝结器二区，如图1所示。

图1 IFV凝结器结构图

以单管内LNG流动换热为研究对象，研究LNG超临界流动传热性能。U型管外径为20mm，内径16mm，管长18m，凝结器一区管长14m，二区管长4m。弯管处为半径200mm的半圆弧，直管段长8.372m。为了研究弯管对流动换热的影响，同时模拟了同样长度直管的情况，其几何尺寸与边界条件与U型管完全相同。

1.2 网格划分

为了准确模拟弯管对LNG流动换热的影响，在弯管处对网格进行局部加密。采用MAP-PAVE方式生成四边形面网格，采用COOPER方式生成六面体网格。

1.3 数值计算

Jackson和Hall[3][4]通过实验拟合出二氧化碳在超临界状态下管内换热的关联式(1)。

式中

下标w表示管壁面处参数，b表示管内流体参数，pc为假拟临界值；Cpb为管内流体的等压热容，H为流体的热焓。

在假拟临界温度以下，该公式能得到较好效果，但在假拟临界温度以上，采用具有更高的精度关联式(4)[5]，该式适用于超临界气体管内强制对流换热:

Nu=0.0068Re0.94Pr0.4(4)

1.4 数值模拟

分别采用标准κ-ε型和κ-ω模型对LNG在管道内的流动换热进行模拟。对于圆形管道，水力直径等于圆管直径16mm，完全发展管流的核心湍流强度可用经验公式(5)计算。

I≅0.16(Re)-1/8(5)

采用标准壁面函数法；压力速度耦合采用SIMPLEC算法；压力插补格式选择STANDRAD格式。

2 数值模拟分析

2.1 速度与压力分布

图2 直管和U型管内流体速度变化曲线

图3 直管和U型管内压强变化曲线

图3为直管和U型管内压强对比曲线。相同轴向位置，κ-ω模型得到的管内压强比κ-ε模型的结果稍大。U型管内压降比直管内压降大，这是由于弯管增加了流动阻力，使得压降增加。

2.2 温度分布

图4为用两种模型模拟直管内流体温度沿轴向变化的曲线。由于初始段管内外流体换热温差很大，温度增长梯度很大。随着管内流体温度升高，温度增长梯度逐渐减小，曲线趋向平缓，最终达到充分发展。图5为用两种模型模拟U型管内流体温度沿轴向的变化曲线，其变化趋势与直管内的变化趋势相同。

图4 直管内流体温度变化曲线 图5 U型管内流体温度变化曲线

用关联式计算得到LNG出口温度比FLUENT模拟结果低17.74K，相对误差为6.52%。导致二者计算结果偏离的原因为：一是所用关联式误差的影响；二是LNG在管内流动雷诺数68922处于湍流区内，FLUENT模拟湍流结果相对误差较大。

3 结语

本文分别用FLUENT和关联式对LNG管内换热进行了计算，并对二者计算结果进行比较，同时用FLUENT模拟了直管和U型管以考察弯管对LNG管内流动的影响，得到结论如下：

（1）LNG管内超临界气化过程中，因密度的变化导致管内流速增加，但在管出口处速度的增加趋于平缓，且在弯头处速度变化剧烈。

（2）U型管的压降明显高于直管，管内LNG沿轴向截面平均温度基本相同。

（3）由于关联式的误差以及FLUENT模拟湍流方法的不确定性，导致两种方法结果不同，FLUENT模拟得到的LNG出口温度比关联式高17.74K。

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