原《天然氣化工—C1化學(xué)與化工》，經(jīng)國家新聞出版署批復(fù)更名為《低碳化學(xué)與化工》。

作者簡介

孫恒（1976—），博士，副教授，研究方向為氣液流動數(shù)值模擬技術(shù)、氫能輸送與氫液化、天然氣處理和液化、LNG冷能回收以及工藝動態(tài)仿真和優(yōu)化，E-mail：bddukesh@163.com。

何銀博，男，碩士研究生，研究方向為液氫儲運與泄露數(shù)值模擬、安全預(yù)警及防護。

基于文丘里管的天然氣摻氫流動規(guī)律研究

何銀博 1
孫恒 1
劉楚茹 2張姝 1王飛 1鄭國婷 1王一凡 1盧鈺銅 1

1. 中國石油大學(xué)（北京） 油氣管道輸送安全國家工程研究中心，石油工程教育部重點實驗室，城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室 北京 102249；2. 中國石油西南油氣田燃氣分公司 四川 成都 610017

摘 要 利用現(xiàn)役的天然氣管道摻氫混輸，是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距離和低成本儲運的有效方法。開發(fā)高效便捷的摻氫設(shè)備，增大天然氣和氫氣的摻混均勻度，有利于提高氫氣輸送效率、保障管道長距離輸送及下游用氣安全。利用文丘里管作為摻氫設(shè)備，用甲烷替代天然氣，將甲烷和氫氣進行摻混，采用數(shù)值模擬的方法，研究了不同的摻混結(jié)構(gòu)和工況對甲烷和氫氣摻混流動過程及摻混均勻度的影響。結(jié)果表明，在T型管道后添加文丘里管可以增大摻混均勻度。在模擬工況下，當管喉比（文丘里管喉管段與直管段直徑比）為1/3時，摻混效果最好；當摻氫比（氫氣與甲烷的質(zhì)量分數(shù)比）為15%時，摻混效果最好，摻混均勻度隨著摻氫比的增大而增大。與靜態(tài)摻混器相比，即使甲烷流速較小，添加了文丘里管的管道內(nèi)仍可保持較大的摻混均勻度。運行壓力越小，摻混均勻度波動越小，摻混過程更穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞 天然氣摻氫；文丘里管；摻混均勻度；摻氫比；流體流動規(guī)律

隨著世界能源向綠色低碳的方向發(fā)展，我國對石油、天然氣等多種能源的開采和利用已由礦產(chǎn)資源消耗型轉(zhuǎn)向自然可再生型，而石油和天然氣的開采和利用也由高碳燃料轉(zhuǎn)向低碳燃料（加氫減碳）。為了助力實現(xiàn)“雙碳”目標，2022年3月23日，中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局印發(fā)了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，明確了氫能發(fā)展原則、目標和階段性任務(wù) [1] 。氫能作為一種戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，是未來主要發(fā)展方向 [2] ，同時氫能也是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的一個主要載體 [3] ，將成為21世紀最有發(fā)展前景的二次能源 [4] 。氫能的輸送作為連接上下游產(chǎn)業(yè)的重要橋梁，在氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)揮著重要的作用 [ 5-6] 。利用現(xiàn)役的天然氣管道是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距離以及低成本儲運的有效方法，其中摻氫天然氣的摻氫比（氫氣與甲烷質(zhì)量分數(shù)比）影響著下游終端用氣和管輸系統(tǒng)的安全性 [7] 。在數(shù)值模擬過程中，由于天然氣的主要成分為烷烴，其中甲烷含量較大，所以采用甲烷替代天然氣，忽略其他成分的影響，主要關(guān)注甲烷與氫氣的摻混過程。

開發(fā)高效便捷的摻氫設(shè)備，提高氫氣和甲烷的摻混均勻度，是保障摻氫天然氣管道安全輸送的重要一環(huán)。針對此問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了相關(guān)研究。KHABBAZI等 [8] 利用T型管道向天然氣輸送管道注入氫氣進行了數(shù)值研究，針對配壓管道和中壓管道的不同側(cè)管尺寸和垂直配置，對混合均勻長度進行了量化，為本研究中注氫管和主管道尺寸設(shè)定提供了參考。安永偉等 [9] 利用FLUENT軟件，對T型摻混管道和10種不同直徑的混合管道進行了數(shù)值仿真研究，發(fā)現(xiàn)對于T型摻混管道，隨著管道增長，氫氣分層現(xiàn)象逐漸明顯，對于變徑摻混管道，變徑越靠近摻混中心、直徑越窄以及高度越低越容易發(fā)生氫氣富集，為本研究文丘里管的設(shè)置位置和管喉比（文丘里管喉管段與直管段直徑比）提供了參考。蘇越等 [10] 針對動態(tài)混合設(shè)備中的氫氣和甲烷混合問題，采用數(shù)值模擬的方法研究了不同靜態(tài)混合器中的混合過程，并分析了靜態(tài)混合器的壓力、流速、摻氫比和阻流部件種類以及擾流片的入口方向等因素如何影響氫氣和甲烷的混合效率，為本研究確定摻混均勻度的影響因素提供了參考。LIU等 [11] 采用雷諾平均Navier-Stokes（RANS）方法研究了靜態(tài)混合器中的氫氣和甲烷的摻混流動，并通過實驗驗證發(fā)現(xiàn)數(shù)值計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。劉翠偉等 [12] 以摻氫天然氣數(shù)值模型為基礎(chǔ)，研究了管道流動、停輸或儲氣瓶靜置場景下，氫氣體積分數(shù)變化及分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)摻氫天然氣管道中，氫氣低流速運行時，氫氣隨著流動向管道頂部偏移，并出現(xiàn)分層，且在低溫、高壓下更易分層，說明摻氫天然氣管道中，氫氣適宜低壓高速運行，為本研究的工況設(shè)計提供了參考。李苒苒等 [13] 研究了摻氫天然氣在用氣終端有限空間內(nèi)的泄漏擴散規(guī)律，得到了在有限空間內(nèi)不同方向上摻氫天然氣泄漏后氫氣體積分數(shù)分布情況，為本研究的氫氣在摻氫天然氣管道中的分布提供了參考。王帥等 [14] 利用Simdroid軟件和FlUENT軟件構(gòu)建了T型加氫管道內(nèi)的流動計算模型，分析了管道尺寸、流速和摻氫比等參數(shù)對摻混過程的影響規(guī)律。李敬法等 [15] 以摻氫天然氣在管道中靜止這一極端工況為對象，通過構(gòu)建并求解其數(shù)學(xué)模型，研究了4種典型場景及5種摻氫比條件下，氫氣體積分數(shù)沿管道底部到管道頂端的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在靜置的極端工況下，如果不存在極端大的摻氫比，摻混均勻的摻氫天然氣在管道的分層現(xiàn)象可完全忽略，為本研究的摻氫比設(shè)置提供了參考。

不同學(xué)者針對T型摻混管道及不同類型靜態(tài)混合器進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)T型管道摻混效果不如靜態(tài)混合器的摻混效果，但靜態(tài)混合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造成本高，由于擾流器的存在，需要摻混氣體保持較大流速。本文選擇文丘里管作為摻混設(shè)備對甲烷及氫氣進行摻混，因其結(jié)構(gòu)簡單，流道順暢，不需要摻混氣體保持較大流速即可使摻混均勻度較大，并研究管喉比、摻氫比、甲烷流速和管道運行壓力對甲烷和氫氣摻混流動過程及摻混均勻度的影響。

1數(shù)值模型構(gòu)建

本節(jié)對設(shè)計的裝置進行簡化后，通過構(gòu)建幾何模型，劃分網(wǎng)格并進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，簡述了天然氣摻氫過程中涉及的數(shù)學(xué)模型，確定了摻混均勻度的量化指標。

1.1 幾何模型

利用文丘里管作為摻混設(shè)備的摻混管路幾何模型見 圖1 。

▲ 圖 1 摻混管道的幾何模型

主管道內(nèi)徑（ D ）為100 mm，注氫管布置在主管道之上，與主管道垂直，其管徑（ d ）為0.3 D 。在10 D 處摻氫，下游長100 D 。文丘里管位于T型彎管之后，噴管起始位置位于彎管后10 D ，噴管長為10 D 。在混合點的下游設(shè)置了5個取樣斷面，每個取樣斷面間距為20 D 。主管道進口介質(zhì)是純甲烷，注氫管進口介質(zhì)是純氫氣。

1.2 數(shù)學(xué)模型

整個摻混過程中的數(shù)學(xué)模型包括質(zhì)量守恒方程（ 式(1) ）、動量守恒方程（ 式(2) ）、組分輸運方程（ 式(3) ）和湍流模型方程。

式中， ρ 為摻混氣體密度，kg/m 3 ； t 為流動時間，s； xi 和 xj 分別為 i 、 j 方向上笛卡爾空間指數(shù)； ui 、 uj 為分別 i 、 j 方向上的速度，m/s； Fi 為 i 方向上的質(zhì)量力，N； p 為氣體壓力，Pa； ca 為氣體組分 a 質(zhì)量分數(shù)； Qa 為氣體組分 a 擴散系數(shù)； 為湍流引起的組分 a 質(zhì)量分數(shù)的脈動值； 為湍流引起的流速的脈動值。

在文丘里管內(nèi)，氫氣與甲烷混合后，氣相流速大，流動形態(tài)呈充分發(fā)展的湍流，采用標準 k - ε （ k 和 ε 分別代表湍流動能和湍流動能耗散率，單位分別為m 2 /s 2 和m 2 /s 3 ）湍流模型（ 式(4) 、 式(5) ）。

(5)

式中， μ 為動力黏度，Pa·s； μ tu 為湍動黏度，Pa·s； H e 為流體平均流速梯度造成的湍流動能； H b 為氣體浮力引起的湍流動能； Q M 為可壓縮湍流過程中脈動膨脹占整體耗散率的比； Rk 為 k 方程的源項； Sε 為 ε 方程的源項； C 1 ε 、 C 2 ε 、 C 3 ε 、 σk 和 σε 均為模型常數(shù)，取值分別為1.44、1.92、0.09、1.0和1.3。

1.3 網(wǎng)格劃分

1.3.1 網(wǎng)格質(zhì)量

利用ICEM軟件進行四面體網(wǎng)格劃分，采用size function加密函數(shù)對整個計算流域進行網(wǎng)格劃分，即彎管及噴管周圍網(wǎng)格加密，遠場流域的網(wǎng)格逐漸稀疏。由于各參數(shù)在遠場流域尺度上的差異較小，可采用適當?shù)姆椒▉頊p小網(wǎng)格數(shù)量，以減少計算量和計算時間。從全局來看，網(wǎng)格密度沿著邊界向外發(fā)展，逐漸變疏，采用Smooth命令使網(wǎng)格過渡平滑 [16] 。

利用ICEM軟件劃分的網(wǎng)格最大邊長為0.05 m，依據(jù)網(wǎng)格獨立性確定模型網(wǎng)格數(shù)量為234573個，所有網(wǎng)格的雅可比比率均大于0.45，網(wǎng)格過渡順滑，最大縱橫比為5（ 圖2 ）。

▲ 圖 2 摻混管道的網(wǎng)格圖

1.3.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

ANSYS FLUENT 2021軟件的求解精度和準確性與網(wǎng)格的劃分及密度等因素密切相關(guān)。本研究劃分了低、中和高網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，網(wǎng)格數(shù)量分別為130200個、234573個和347764個（ 圖3 ）。在摻氫比為10%情況下，以采樣截面的氫氣平均質(zhì)量分數(shù)計算波動量，排除網(wǎng)格密度對計算精度的影響，波動量均低于1%以下，可驗證計算結(jié)果與網(wǎng)格的無關(guān)性。由 圖3 可知，當網(wǎng)格數(shù)量為234573個和347764個時，采樣截面的氫氣平均質(zhì)量分數(shù)幾乎重合，網(wǎng)格加密后對計算結(jié)果影響不大，為節(jié)省計算機資源，最終采用的劃分方案網(wǎng)格數(shù)為234573個。

▲ 圖 3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果

1.4 邊界條件及求解設(shè)置

本研究利用ANSYS FLUENT 2021軟件進行了模擬。操作條件：環(huán)境溫度為 300 K，主管道運行壓力為4 MPa，符合高壓長輸天然氣管道壓力標準，選擇重力場，豎直方向的重力加速度為9.81 m/s 2 。邊界條件：文丘里管表面以及管道表面均為無滑移邊界條件，進口邊界條件設(shè)置為流速進口，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口。初始化：選擇標準初始化，初始內(nèi)部工質(zhì)甲烷質(zhì)量分數(shù)為1。求解設(shè)置：選擇壓力耦合方程的壓力-速度耦合半隱式算法。具體的求解設(shè)置見 表1 。

▼ 表 1 求解設(shè)置

1.5 摻混均勻度量化指標

針對本研究提出的摻混管道，以摻混氣的均勻性為評價指標。該指標由氣體質(zhì)量分數(shù)的變化系數(shù)（Nov，%）來表示，其值為樣品質(zhì)量分數(shù)的標準差與樣品平均質(zhì)量分數(shù)的比值（ 式(6) ） [17] 。

(6)

式中， wr 為采樣截面上 r 點的氫氣質(zhì)量分數(shù)； 為采樣截面上氫氣質(zhì)量分數(shù)的平均值； m 為取樣點個數(shù)。

摻混均勻度（ δ ，%）計算方法見 式(7) 。氣體混合越均勻， δ 越大。《天然氣摻氫混氣站技術(shù)規(guī)程》（征求意見稿）對天然氣與氫氣的混合均勻性提出了要求，必須保證 δ ≥ 95%。當 δ ≥ 95%時，工業(yè)中認為體系已經(jīng)完全混合 [10] 。

(7)

1.6 算例工況設(shè)置

本研究通過13個模擬算例探究了不同運行工況及摻混管內(nèi)結(jié)構(gòu)對摻混效果的影響。依據(jù)《燃氣摻氫混氣裝置》（征求意見稿）與《天然氣摻氫混氣站技術(shù)規(guī)程》（征求意見稿）設(shè)計工況，通過算例1~4考察了文丘里管的管喉比對摻混效果的影響，通過算例4~13考察了摻氫比、甲烷流速、運行壓力對增加了文丘里管后的摻混效果的影響（ 表2 ）。

▼ 表 2 算例參數(shù)設(shè)置

2結(jié)果與討論

本節(jié)討論了不同摻混結(jié)構(gòu)及不同運行工況對摻混效果的影響。摻混結(jié)構(gòu)包括是否添加文丘里管及文丘里管的管喉比，運行工況包括摻氫比、甲烷流速及運行壓力。

2.1 不同摻混結(jié)構(gòu)對摻混效果的影響

2.1.1 文丘里管摻混管道流場分析

以算例4為例，分析了添加文丘里管的T型摻混管道數(shù)值仿真結(jié)果，摻混管道氫氣流速分布云圖見 圖4 ，局部放大圖中的標簽數(shù)字為對應(yīng)等值線的流速大小。由 圖4 可知，鑒于氫氣與甲烷的流速與流動方向存在顯著差異，兩種摻混氣體在交匯點處發(fā)生自然混合現(xiàn)象。氫氣剛進入摻混管道的流速大概為10.0 m/s，二者自然摻混后，氫氣流速明顯減小，管道上部氫氣流速小于1.0 m/s的區(qū)域占據(jù)管道的2/3，管道底部氫氣流速為4.0 m/s的區(qū)域占據(jù)管道的1/3。氫氣到達文丘里喉管處時，流速按2.0~7.0 m/s呈現(xiàn)梯度分布，越接近文丘里管的喉道附近，流速越大。此后氫氣沿管道不斷發(fā)展，管道中心的流速穩(wěn)定在2.5 m/s左右。由此可知，氫氣與甲烷摻混過程中，氫氣流速明顯減小，文丘里管可以增大氫氣流速。

▲ 圖 4 氫氣流速分布云圖

為更清晰觀察到天然氣摻氫過程中管道內(nèi)的壓力變化，以算例4為例，建立了管道相對于運行壓力的壓力變化云圖（ 圖 5 ），圖中標簽數(shù)值為此處等值線對應(yīng)的相對壓力大小。由 圖5 可知，氫氣、甲烷分別以300 Pa、150 Pa的壓力進入管道，并在摻混點處匯合，二者壓力均減小，在摻混點附近形成一個較大的壓力區(qū)域，之后管道相對壓力穩(wěn)定在100 Pa左右。文丘里管附近的壓力呈現(xiàn)梯度分布，在喉道處的相對壓力最?。?250 Pa）。氣體經(jīng)過文丘里管后，低壓區(qū)逐步向擴散管段發(fā)展 [18] ，之后管道壓力整體穩(wěn)定在0 Pa。

▲ 圖 5 管道相對壓力分布云圖

對比算例4與算例1，考察了T型摻混管道添加了文丘里管后的摻混效果，建立了氫氣在采樣截面的質(zhì)量分數(shù)分布云圖，圖中采樣截面從左到右依次為1~5。算例4和算例1的氫氣質(zhì)量分數(shù)分布云圖分別見 圖 6 和 圖7 。

▲ 圖 6 算例4的氫氣質(zhì)量分數(shù)分布云圖

▲ 圖 7 算例1的氫氣質(zhì)量分數(shù)分布云圖

由 圖 6 可知，氫氣剛出文丘里管后，在管道中出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，從管道底部到頂部，氫氣質(zhì)量分數(shù)出現(xiàn)明顯的梯度分布。文丘里管可增強氫氣的湍流效應(yīng)，使氫氣分布更均勻。隨著氫氣沿管道發(fā)展，氫氣的分層現(xiàn)象明顯減少，到管道出口附近，基本分布均勻，質(zhì)量分數(shù)為0.094。由 圖 7 可知，由于沒有文丘里管的作用，氫氣分層現(xiàn)象比較明顯。由于氫氣密度比甲烷低，摻混點后氫氣主要分布在管道的中上部，隨著氫氣沿管道的發(fā)展，氫氣分布區(qū)域逐漸向下發(fā)展，氫氣質(zhì)量分數(shù)逐步減小，在采樣截面5（出口截面）處，氫氣質(zhì)量分數(shù)基本減小至0.110以下。

以算例4為例，計算了各采樣截面對應(yīng)的摻混均勻度，結(jié)果見 圖 8 。

▲ 圖 8 各采樣截面的摻混均勻度

由 圖8 可知，當氫氣剛出文丘里管時，摻混均勻度較低（89.52%），之后由于氫氣的紊流加劇并沿著管道逐步發(fā)展，摻混均勻度增大，并逐漸趨于穩(wěn)定，采樣截面5的摻混均勻度為 99.95%。除采樣截面1外，其余采樣截面的摻混均勻度大于 95.00%，達到了天然氣摻混的要求。

通過以上分析可知，在T型摻混管道中添加文丘里管，摻混氣體流速在喉管段顯著增大，湍流效應(yīng)增強，從而有效提高了摻混均勻度，可以減輕氫氣在管道中的分層現(xiàn)象。

2.1.2 不同管喉比對摻混效果的影響

以算例1~4為例，分析了不同文丘里管結(jié)構(gòu)下不同管喉比對摻混均勻度的影響，結(jié)果見 圖9 。由 圖 9 可知，采樣截面1的摻混均勻度有不規(guī)律波動，此時氫氣剛出文丘里管，沒有經(jīng)過管道的發(fā)展，流動非常不穩(wěn)定。當管喉比小于等于4/5時，采樣截面5對應(yīng)的摻混均勻度均大于 99.00%。當管喉比為1/3時，兩個截面的摻混均勻度最大。隨著管喉比的減小，文丘里管對氫氣和甲烷流速增大的效果更明顯，在喉管段形成的真空壓力也逐漸增大，同時文丘里管擴散管段的擴散角度增大導(dǎo)致管道內(nèi)流體湍動能增大 [19] ，增大了摻混均勻度。

▲ 圖 9 不同管喉比下采樣截面1 (a)和采樣截面5 (b)的摻混均勻度

2.2 不同運行工況對摻混效果的影響

2.2.1 摻氫比的影響

以算例4~7為例，分析了摻氫比對摻混均勻度的影響，結(jié)果見 圖10 。由 圖10 可知，采樣截面1的摻混均勻度隨著摻氫比的增大而增大。當摻氫比分別為5%、10%、12%和15%時，采樣截面5對應(yīng)的摻混均勻度分別為 98.33%、99.95%、99.97%和99.99%，均大于 95.00%。在模擬的設(shè)置工況下，最佳摻氫比為 15%，且摻混均勻度滿足摻混要求。隨著摻氫比的增大，進入管道的氫氣流速也隨之增大，摻混均勻度增大，但摻氫比需滿足標準規(guī)定，不能單純靠增大摻氫比來提高摻混均勻度。

▲ 圖 10 不同摻氫比下采樣截面1 (a)和采樣截面5 (b)的摻混均勻度

2.2.2 甲烷流速的影響

以算例8~10為例，研究了不同甲烷流速對摻混均勻度的影響，結(jié)果見 圖11 。由 圖 11 可知，采樣截面1的摻混均勻度隨著甲烷流速的增大而逐步增大，采樣截面5對應(yīng)的摻混均勻度均大于 99.00%。這一顯著成效主要歸因于文丘里管獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其喉道部位能夠有效增大甲烷流速，進而誘發(fā)更為強烈的管內(nèi)湍流效應(yīng)，此效應(yīng)對于促進質(zhì)量傳遞、增大摻混均勻度具有關(guān)鍵作用。

▲ 圖 11 不同甲烷流速下采樣截面1 (a)和采樣截面5 (b)的摻混均勻度

相比之下，傳統(tǒng)靜態(tài)混合器需通過配置不同數(shù)量及類型的擾流元件，能達到既定的摻混均勻度要求。而文丘里管則無需安裝額外的擾流部件，僅憑其漸變的流道設(shè)計，即可增強流體湍流效應(yīng)。因此，在文丘里管內(nèi)，流體流動更為流暢，即便在甲烷流速相對較低的情況下，亦能保持高水平的摻混均勻性。這一特性不僅簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，還有效降低了摻混過程中的能量消耗。

2.2.3 管道運行壓力的影響

以算例11~13為例，分析了管道運行壓力對摻混均勻度的影響，結(jié)果見 圖12 。由 圖 12 可知，采樣截面1的摻混均勻度隨著管道運行壓力的增大而減小，采樣截面5對應(yīng)的摻混均勻度均保持在 99.00%左右。當管道運行壓力為2 MPa時，采樣截面1和采樣截面5的摻混均勻度均大于95.00%。摻混均勻度波動較小時，摻混更加順暢。盡管管道運行壓力發(fā)生了變化，但出口截面的摻混均勻度并未受到顯著影響，證實管道運行壓力對摻混均勻度的影響較小。此外，增大運行壓力會增大設(shè)備的能耗，這是在實際應(yīng)用中需要權(quán)衡考慮的因素。綜上所述，雖然管道運行壓力對摻混均勻度有一定的影響，但在設(shè)計和優(yōu)化摻氫系統(tǒng)時，仍需綜合考慮其對能耗的影響，以實現(xiàn)能效與摻混效果的雙重優(yōu)化。

▲ 圖 12 不同運行壓力下采樣截面1 (a)和采樣截面5 (b)的摻混均勻度

3結(jié)論

本文利用ANSYS FLUENT 2021軟件對施加文丘里管的T型天然氣摻氫管道進行了數(shù)值模擬，對摻混管道的流場進行了分析，對不同管喉比及不同工況對摻混均勻度的影響進行了模擬，得到如下主要結(jié)論。

（1）在T型摻混管道中添加文丘里管后，摻混氣體流速在喉管段顯著增大，湍流效應(yīng)增強，從而增大了摻混均勻度，顯著減少了氫氣在管道中的分層現(xiàn)象。

（2）文丘里管的管喉比對摻混均勻度影響較大，在模擬工況下，當管喉比為1/3時，摻混均勻度達到最大。減小管喉比能夠增大擴散段的擴散角度，進而增大管道內(nèi)流體的湍動能，優(yōu)化摻混效果。

（3）摻氫比是影響摻混均勻度的重要因素，在模擬工況下，當摻氫比為15%時，摻混效果最好，摻混均勻度最大。雖然摻氫比越大，摻混均勻度越大，但摻氫比需滿足標準規(guī)定，不能單純靠增大摻氫比來增大摻混均勻度。

（4）甲烷流速和管道運行壓力對摻混均勻度影響有限。文丘里管通過漸變的流道增強流體的湍流效應(yīng)，與靜態(tài)摻混器相比，即使在較小的甲烷流速下，也能保持較大的摻混均勻度。管道運行壓力越小，摻混均勻度波動越小，摻混過程更順暢，同時摻混能耗越小。

綜上所述，文丘里管以其簡單的結(jié)構(gòu)有效增大了摻混均勻度，同時降低了建造成本和摻混過程中的能耗。因此，文丘里管在摻混設(shè)備前的預(yù)摻混以及摻氫天然氣長輸管道中具有廣闊的應(yīng)用前景。

DOI：10.12434/j.issn.2097-2547.20240387

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