0 引言
目前，天然气主要通过管道进行输送，在管道输送过程中往往会生成水合物，而水合物有堵塞管道的风险。传统的防治方法有加热或隔热、添加抑制剂、脱水处理等[1]，这些方法普遍存在成本高、用量大和污染环境等问题。螺旋流兼具轴向速度和切向速度的流动形式，可以增大流体之间传质和传热，因此利用螺旋流来输送天然气，控制水合物防止其堵塞管道，从而保证输气管道内的安全流动。对天然气水合物管道螺旋流动和传热[2-5]特性的研究，国内外鲜有报道。
管道螺旋流输送固体颗粒过程中增大了流体与管壁之间的剪切力，使颗粒不易在管壁沉积粘结[6]，从而提升了固体颗粒的输送距离。刘雯等[7]对管内螺旋导流板的数值模拟发现，相比于螺旋叶轮，螺旋导流板引发的旋流强度大大增加，衰减程度更慢。常州大学王树立课题组在水合物抑制剂开发、气液两相螺旋流以及水合物浆体流动保障技术等方面做了大量研究。王树立课题组发明了一种新的管道螺旋流气体水合物输送方法，代替了添加化学试剂等水合物防治方式，有效避免了管道堵塞，提高了天然气运输的安全性和经济性。使用起旋装置可以改变管道流动的边界，使流动方向发生改变[8-9]。通过起旋器在天然气输送管道中产生螺旋流，增大切向流速，提高气流的携带能力，使得水合物颗粒成为悬移质随气体悬浮流动，并在螺旋衰减及悬移颗粒沉降前加设继旋器以保证气流的携带能力，防止水合物堵塞管道，增强水合物颗粒之间的传热[10-15]，为管道的安全输送提供保障。
1 几何和数学模型 1.1 几何模型研究的几何模型为直径D=0.025 m，长L=3 m的水平管道，入口处设置叶轮，具体的叶片起旋器设计详情以1#旋流器为例，如图 1所示。管壁恒壁温加热，流体以恒定的速度流入管道。管道模型如图 2所示，计算采用直角坐标系，坐标原点位于管道入口面圆心处，Z轴为流动方向，重力沿Y轴负方向。流体介质为天然气，自管道右端向左端流动。模拟中使用的叶片起旋器种类有3种，分别为叶片面积相同而旋转角度分别为75.0°、67.5°和60.0°的1#、2#及3#叶片旋流器。
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| 图 1 1#旋流器设计详情 Fig.1 Design details of #1 cyclone |
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| 图 2 管道模型 Fig.2 Pipeline model |
假设：①考虑重力的影响；②所有界面和接触表面不变形，接触面为无滑移边界；③简化为三维、非稳态、常物性气固两相流动和换热问题。
1.2 数学模型连续性方程：
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(1) |
动量方程：
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(2) |
式中：ρ、u、p0分别为气体密度、速度、静压，τij为黏性应力张量，t为时间。
体积分数方程：
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(3) |
式中：aq为第q相的体积分数，Saq为源项，
能量方程：
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(4) |
式中：cp、T、λ分别为气体定压比热容、温度、热导率，v、w均为速度。
2 FLUENT计算 2.1 Gambit几何模型网格的选择依赖于具体的问题，在选择网格时，考虑下列问题：①初始化的时间；②计算花费；③数值耗散。在模拟中，对叶轮边缘以及管壁处的网格进行加密处理，管道模型如图 2所示。经网格无关性检验后，网格单元数约为60万个。
2.2 计算方法应用大型CFD软件FLUENT16.0，对圆管螺旋流进行数值模拟并采用三维隐式分离求解器求解，控制方程的离散采用有限单元体积法，各标量的离散值采用单元中心点存储。动量分量、湍动能分量和耗散率均采用具有二阶精度的二阶迎风插值格式。压力和速度耦合采用SIMPLEC算法，压力采用多维线性重建方法重建表面压力的二阶格式。迭代过程中向下松弛因子的选取，在以下范围取值：εp=0.3~0.7，εm=0.5~0.7，εk= εε=0.4~0.6。定义收敛条件为残差绝对值小于1×10-7。
2.3 边界条件进口边界:采用速度进口条件，Uin=3 m/s，温度Tin=280 K，湍流指定方法选择强度和水力直径指定方法。其中，湍流强度I=0.16(Re DH)-1/8，DH为水力直径，对完全发展的管流，DH=Di。出口边界:采用出流outflow条件。壁面条件：管壁采用无滑移的固定壁面，壁面为恒温加热，温度Tw=277 K。
3 计算结果与分析 3.1 模型验证将水合物管道螺旋流动数值模拟结果和试验数据进行对比验证。图 3所示为流体的压降随雷诺数Re在气固两相流中的变化情况。管道长1.2 m，管径25 mm，颗粒粒径为0.02 mm。雷诺数Re用公式Re=vdρ/μ计算，式中，d为管道直径，v为泥沙流动的平均速度，μ为气体的动力黏度。由图 3可以看出，模拟结果和试验结果之间的误差很小。验证结果显示模拟计算可靠。
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| 图 3 压降Δp随雷诺数Re变化关系 Fig.3 The relationship of flow resistance Δp with Re |
3.2 水合物管道螺旋流动和传热规律分析 3.2.1 速度分布规律
如图 4所示，对比管道中各截面轴向流速等值图发现，轴向流速最大值出现在管道壁面处，且其最大值逐渐减小。管道轴向流速极大值大致可以分为3个中心，极值的中心由于螺旋流的原因不断旋转。沿着管道，螺旋强度逐渐衰减，轴向流速极大值区域逐渐减小，各截面轴向流速也相应减小。
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| 图 4 Re=5 000时管道中各截面轴向速度分布图 Fig.4 The axial velocity distribution on the pipe cross-sections under the Re=5 000 |
如图 5所示，对比管道中各截面径向流速等值图发现，流体在穿越叶轮时，流体被分割，形成扰流，导致流体径向速度分布较均匀。径向速度的最大值出现在叶轮相对应的位置，沿着管道，径向流速的分布存在极值之间的相互转换，速度梯度使得流体之间相互掺混，强化了天然气水合物管道的传质与传热。
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| 图 5 Re=5 000时管道中各截面径向速度分布图 Fig.5 The radial velocity distribution on the pipe cross-sections under the Re=5 000 |
如图 6所示，对比管道中各截面切向流速等值图发现，切向流速极大值主要分布在靠近管壁和叶轮附近的区域。沿着管道，由于叶轮产生的螺旋流，切向流速的极大值中心不停地旋转，其极大值的分布区域也在逐渐减小。切向流速的分布同样存在极值之间的相互转换，速度梯度导致了流体之间相互掺混，提高了两相之间的传热与传质。沿着管道，螺旋流强度不断衰减，其极大值也逐渐减小。
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| 图 6 Re=5 000时管道中各截面切向速度分布图 Fig.6 The tangential velocity distribution on the pipe cross-sections under the Re=5 000 |
3.2.2 壁面剪切力分布规律
图 7是不同管道截面处壁面剪切力分布图。在入口处起旋器叶轮的作用下，水合物颗粒沿管道做螺旋运动。在入口附近，由于水合物颗粒的速度比较大，对管道壁面的剪切力大。沿着管道，由于叶轮产生的螺旋流强度的衰减以及水合物颗粒与壁面之间的碰撞摩擦，水合物颗粒与壁面之间的剪切力逐渐减小。而且由于水合物颗粒的沉积，在惯性力的作用下，沉积到管道底面的颗粒继续沿管道向前运动，所以颗粒对管道底面的剪切力比其他位置都大。水合物管道输送要考虑螺旋流的衰减，建议多设置一些起旋器，保证水合物颗粒以螺旋形式运动，减小对壁面的摩擦，从而延长管道使用寿命。
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| 图 7 不同管道截面处壁面剪切力分布图 Fig.7 The shear force distribution on the wall of pipe at different cross-sections |
3.2.3 水合物颗粒体积分数分布规律
图 8是不同截面处水合物颗粒体积分数分布图，其中入口轴向速度为3 m/s，水合物颗粒粒径为0.01 mm。由于螺旋流兼具轴向速度和切向速度的流动形式，所以应用在管道输送固体颗粒时，可以增大流体与壁面的剪切力作用，阻止颗粒沉积在管道底部，从而提升了固体颗粒的输送距离。从图 8可以看出，水合物颗粒在螺旋流产生的离心力作用下分布在管壁附近，没有进入强制涡区域，随后由于螺旋流强度的衰减和受到自身重力的影响，固体颗粒在轴向距离30D处开始出现较少颗粒沉降现象。随着起旋器距离逐渐增大时，管道中上部颗粒体积分数逐渐减小，管道底部颗粒浓度逐渐增大。
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| 图 8 不同管道截面处水合物颗粒体积分数分布图 Fig.8 Distribution of hydrate particle concentration at different pipe cross sections |
3.2.4 温度分布规律
图 9为水合物颗粒在雷诺数Re=5 000、叶轮旋转角度为67.5°条件下，管道不同截面处的温度分布情况。由图可以看出，随着起旋器距离逐渐增大时，温度分布越来越均匀。沿着管道，由于管道螺旋流可以增大流体之间的掺混，从而有利于增强水合物生成过程中产生热量的传递，也为螺旋管流安全输送天然气水合物提供了理论依据。
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| 图 9 相同雷诺数和叶轮条件下不同管道截面处的温度分布图 Fig.9 Temperature distribution at different pipe cross sections under the same Reynolds number and impeller conditions |
图 10为水合物颗粒在相同雷诺数和位置条件下，不同叶轮旋转角β(75.0°、67.5°和60.0°)的温度分布情况。由图可以看出，叶轮旋转角越大，温度分布也越来越均匀。在螺旋起旋器的作用下，叶轮旋转角越大，导致了流体之间的相互掺混越剧烈，提高了流体之间以及与管壁之间的传热与传质，从而防止水合物堵塞管道。
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| 图 10 相同雷诺数和位置条件下不同叶轮旋转角的温度分布图 Fig.10 Temperature distribution with different impeller rotation angles under the same Reynolds number and positions |
3.2.5 水合物颗粒停留时间分布规律
图 11是不同时刻的水合物颗粒停留时间分布图，其中入口轴向速度为3 m/s，叶轮旋转角度为60°，水合物颗粒粒径为0.01 mm。从图可以看出，水合物颗粒沿着管道呈现出很好的螺旋运动形式。水合物颗粒沿着管道螺旋向前运动，在t=0.6 s时，水合物颗粒的螺旋强度有了明显的衰减，颗粒的运动状态逐渐转变为非旋流。由于螺旋强度的衰减，水合物颗粒开始沉积到管道底部，在t=1.0 s时，颗粒沉积的较多。
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| 图 11 不同时刻的水合物颗粒停留时间分布图 Fig.11 Distribution of residence time of hydrate particles at different times |
4 结论
(1) 轴向流速极大值出现在管道管壁周围区域，沿着管道流动，其极大值逐渐减小。径向流速由于起旋器的作用出现多个极值中心，速度梯度使得流体之间相互掺混，强化了天然气水合物管道的传质与传热。切向流速的极大值中心在不停旋转，切向流速的分布同样存在着极值之间的相互转换。沿着管道，螺旋流强度在不断衰减，其极大值也在逐渐减小。
(2) 在入口处附近，由于水合物颗粒的速度比较大，对管道壁面的剪切力大。沿着管道，由于叶轮产生的螺旋流强度的衰减以及水合物颗粒与壁面之间的碰撞摩擦，水合物颗粒与壁面之间的剪切力逐渐减小。
(3) 水合物颗粒沿着管道螺旋向前运动，在t=0.6 s时，水合物颗粒的螺旋强度有了明显的衰减，颗粒的运动状态逐渐转变为非旋流。由于螺旋强度的衰减，水合物颗粒开始沉积到管道底部，在t=1.0 s时，颗粒沉积的较多。
(4) 水合物颗粒在螺旋流产生的离心力作用下分布在管壁附近，没有进入强制涡区域，随后由于螺旋流强度的衰减和受到自身重力的影响，固体颗粒在轴向距离30D处开始出现较少颗粒沉降现象。随着起旋器距离逐渐增大时，管道中上部颗粒体积分数逐渐减小，管道底部颗粒体积分数逐渐增大。
(5) 随着起旋器距离逐渐增大，管道内温度分布越来越均匀。沿着管道，管道螺旋流可以增大流体之间的掺混，叶轮旋转角越大，导致了流体之间的相互掺混越剧烈，提高了流体之间以及与管壁之间的传热与传质，有利于增强水合物生成过程中产生热量的传递，从而防止水合物堵塞管道。
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