FLUENT仿真实战：甲烷管道排空过程分析

1 前言

   本案例来自如下的工程实际，一根甲烷管道上游连接甲烷气瓶，在更换气瓶时，外部空气难免会进入到隔离阀上游的管道。为避免空气混入到隔离阀下游进入下游设备，需要在隔离阀前安装排空管道和排空阀，在打开隔离阀前先通过排空管道将上游的可能存在的空气排放掉。本案例模拟排空管道的排放功能。

2 建模与设置

   建立如下的二维管道模型，管道长度500mm，内径20mm，排空管道长度100mm，内径20mm。实际上，为了更好的排空效果，排空管需尽可能靠近隔离阀。为此，本案例建立了两个模型，区别了排空管道的近端布置和远端布置的效果。

   求解设置相对简单，不做冗述。采用标准k-e湍流模型，入口为速度入口，组分为100%甲烷，流速2m/s；出口为压力出口；初始化管内速度为静止，组分全部为空气；设置两个监视器，分别监测阀前的空气摩尔分数和排放口的甲烷摩尔分数。

3 计算结果

3.1 近端布置

   阀前的空气摩尔分数随时间变化如下，可以看出经过不到2s时间，阀前的空气基本被排除干净。

排放口的甲烷摩尔分数随时间变化如下，可以看出经过不到2s时间，出口基本全部是甲烷了。

看一下管道的速度分布，可以看到阀前的一段基本为死管段，这里的空气主要靠甲烷流动的卷吸和自身的扩散而排放。

再看一下管道的甲烷体积分数分布，可以看出整个计算域基本都是甲烷了，也说明了空气被排放干净了。

3.2 远端布置

阀前的空气摩尔分数随时间变化如下，可以和近端布置相比，空气的排放速度大大降低，经过了6s还是有30%以上的空气。

排放口的甲烷摩尔分数随时间变化如下，可以看出经过不到2s时间，出口的甲烷含量也基本到达100%了（实际上在较长时间内混入极少量的空气，直至所有空气排放干净）。

看一下管道的速度分布，可以看到阀前的死管段更长，这里的空气主要自身的扩散而排放。

再看一下管道的甲烷体积分数分布，可以看出排放管以及上游的管道基本都是甲烷了，而阀前的死管段还有较多的空气未排放掉。

本案例展示了排空管道的功能以及布置位置对排放效果的影响，显然采用近端布置是更好的。

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