高压天然气管道掺氢高效策略：机理建模与数值分析

《Journal of Pipeline Science and Engineering》：A high-efficiency strategy for blending hydrogen into high-pressure natural gas pipelines: Mechanistic modeling and numerical analysis

　　

摘要
高压天然气管道中的掺氢混合是实现大规模氢能利用的关键途径，而混合均匀性直接影响管道安全与计量精度，是目前亟待解决的核心问题。本研究提出了一种由多孔喷射元件与静态扰动元件组成的新型掺混策略，并基于大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）建立了高保真数值模拟框架，以阐明非稳态湍流条件下的混合机理。利用T形管汇构型验证了该方法的预测精度。系统研究了喷射方向、喷射孔数、掺氢比、主流速度及操作压力等关键参数对混合性能与压降的影响。结果表明：（1）所开发的数值方法能够准确捕捉氢气与天然气的混合行为，所提出的掺混方法在不同工况下在混合均匀性与能量效率方面均表现出良好性能；（2）在典型操作条件下，采用逆流喷射并配置25个均匀分布孔时，出口混合均匀性提高至99%以上，同时整体压降保持在10 kPa以下；（3）混合过程受扰动激发、剪切卷吸与扩散混合的多级协同机制控制，逆流喷射产生的高速剪切层与回流涡增强了径向掺混，而下游挡板诱导的强制扰动促进了氢气在短距离内的快速均匀扩散。所提出的LES求解流程可为氢-天然气混合分析提供有力工具，所建立的模型与所得结果可为高压掺氢设备的设计与优化提供理论与工程参考。

**高压天然气管道掺氢高效策略的机理建模与数值分析：论文解读**

**1. 研究背景与意义**

在全球能源系统向低碳清洁方向转型的背景下，氢气作为零碳二次能源载体，正从示范项目走向大规模部署。在中国碳达峰与碳中和目标驱动下，氢能发展战略规划加速推进，大规模制氢、储运与终端利用技术成为构建未来清洁能源体系的关键基础。其中，将氢气掺入现有天然气管道被广泛认为是一种经济高效的输运方案，既能显著降低氢气输送成本，又能最大化利用现有天然气输配基础设施，促进氢能与天然气的融合发展。

然而，氢气与天然气在物理化学性质上存在根本差异，如更低的密度与分子量、更高的分子扩散系数以及迥异的燃烧特性。氢气掺入后会改变气体性质，进而引起管道内流动状态的变化。在低流速、水平管段或大管径管道等运行条件下，湍流扩散可能不足以完全抑制密度驱动的组分迁移，容易导致氢气积聚和浓度分层。这种组分非均匀分布会引起计量误差和热值评估偏差，影响贸易结算准确性；还可能导致末端燃烧设备运行不稳定，表现为燃烧效率降低、NO?排放增加甚至熄火。此外，局部高浓度氢气区域的形成会加剧金属管道氢脆，缩短使用寿命并提高运行风险。因此，在输运过程中实现氢气与天然气的快速、高效、均匀混合，已成为亟待解决的关键挑战。

已有研究主要聚焦于低压条件下氢掺天然气的输运问题，大多采用计算流体力学（CFD）方法，针对特定条件进行验证。尽管对不同运行条件和混合装置构型开展了大量研究，并阐明了操作参数和混合元件结构对混合性能的影响，但能够直接支持混合装置工程设计优化的通用设计方法和指导准则仍然缺乏。同时，适用于高压管道运行、兼顾混合效率与运行安全的高效氢-天然气混合装置仍然稀缺，制约了掺氢系统的设计能力与实际应用。本研究正是针对上述问题，提出了一种基于多孔喷射元件与静态扰动元件协同组合的新型高效氢-天然气掺混方法。

**2. 研究方法**

研究人员建立了基于大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）的多组分气体混合高保真数值框架。在亚格子尺度应力闭合方面采用动态Smagorinsky-Lilly模型（DSM），该模型的选择基于先前研究中对多种常用亚格子模型的系统比较，结果表明DSM对于涉及强剪切层和涡致湍流扩散的气体混合问题具有可靠的精度和数值稳定性。求解过程中采用压力隐式分裂算子（PISO）算法耦合压力与速度场，时间步长设为1×10?3 s。计算域采用非结构化网格，在管道入口和混合元件区域进行局部加密，第一层边界层网格高度设为0.02 mm以满足大涡模拟近壁分辨率要求（y?≤1）。通过网格无关性验证，最终采用总计201.59万网格单元的网格方案。模型验证采用Fernandes等人提出的T形管汇构型作为基准，在主流速度20 m/s、掺氢比20%、操作压力1.8 MPa条件下，压降和混合均匀性的平均相对误差分别为3.4%和5.8%，均在可接受的工程误差范围内。

**3. 主要研究结果**

**3.1 喷射方向的影响**

在25个喷射孔、主流速度5 m/s、掺氢比10%和压力4 MPa条件下，研究人员比较了逆流喷射与顺流喷射两种构型。结果表明两种构型的混合均匀性差异较小，均在无量纲轴向距离（x*/D）1～20范围内超过99%，满足工程要求（MU>98%）。但逆流喷射在混合器出口下游表现出略高的混合均匀性，这归因于对向射流引起的局部流动扰动增强，促进了氢气与甲烷之间的持续相互作用。顺流喷射中射流与主流方向一致，形成稳定细长的射流并被快速对流输运至下游，对主流扰动不足，限制了径向扩散；而逆流喷射通过与主流的相互作用产生明显的冲击和回流区，显著增强径向扰动并将部分氢射流卷吸至管壁附近，在更大截面上促进动量交换和质量传递。逆流与顺流构型的整体压降分别为9.16 kPa和9.01 kPa。

**3.2 喷射孔数的影响**

在逆流喷射构型下，研究人员系统考察了25、31和37三种孔数配置。结果表明增加孔数导致混合均匀性略有下降，但所有构型仍保持高混合水平。增加孔数使氢气喷射点在管道截面上的空间分布更均匀，扩大了射流整体覆盖范围；但同时显著降低了单个射流的质量流量和动量，削弱了射流对主流的穿透能力，氢气倾向于沿弯头壁面发展，形成尾迹卷吸扩散模式，降低了氢-甲烷间的速度梯度和剪切强度，从而减小了有效混合体积。整体压降随孔数增加略有下降，从9.16 kPa降至9.02 kPa，这归因于多孔分流效应降低了每个孔的射流速度，减少了局部射流冲击引起的动能耗散。

**3.3 主流速度的影响**

在逆流喷射、25孔、掺氢比10%和压力4 MPa条件下，研究人员考察了5、10、15和20 m/s四种主流速度。结果表明速度对混合过程有显著影响，混合均匀性随速度增加呈非线性增长趋势。在混合器出口下游1D位置，5 m/s时混合均匀性为99.16%，10、15和20 m/s时分别增加至99.68%、99.55%和99.61%。当主流速度从10 m/s进一步增加至20 m/s时，混合均匀性不再提高，表明混合过程在高速度下趋于饱和。流经混合元件后，截面内形成八对对称分布的涡对，构成典型的强制诱导涡对系统，相邻涡对反向旋转。随流速增加，涡量显著增强。当速度从5 m/s增至10 m/s时，流向涡量范围从-1139.08～1487.55 s?1扩展至-2504.49～2619.00 s?1，正负涡量分布相对均衡，形成有组织的径向卷吸通道。速度进一步增至15和20 m/s时，正涡量峰值远超负峰值，反映了局部剪切层增强和非均匀扰动特征加剧，但连续增加的涡量并未带来混合性能的等比例提升，较高流速缩短了流体在混合器内的停留时间，限制了湍动能向有效径向输运的转化。

**3.4 掺氢比的影响**

基于逆流喷射25孔模型，在压力4 MPa和速度5 m/s条件下，研究人员考察了10%、15%、20%和25%四种掺氢比。结果表明所提出构型在整个掺氢比范围内均实现均匀混合，且混合均匀性与掺氢比呈正相关。掺氢比增加意味着射流系统中氢气体积分数升高，增强了射流诱导的扰动强度。在混合过程第一阶段，增加的射流动量加强了氢射流与主流之间的动量交换和剪切相互作用，诱导更强的湍流扰动和横向混合。掺氢比为10%时，诱导涡相对较弱，流向涡量范围为-1139.08～1487.55 s?1；增至15%时涡量范围扩展至-2661.54～1564.70 s?1，负涡量幅值显著增加；20%时涡量范围为-1546.19～1719.05 s?1，涡场空间分布更均衡；25%时涡量范围为-1695.83～1496.25 s?1，涡结构呈现更明显的空间扩展与相互作用。随掺氢比增加，整体压降分别为9.16 kPa、9.84 kPa、10.73 kPa和11.73 kPa，均处于可接受的工程范围内。

**3.5 操作压力的影响**

在速度5 m/s和掺氢比10%条件下，研究人员考察了4 MPa、6 MPa和8 MPa三种压力。结果表明在所研究压力范围内，操作压力对混合性能的影响相对有限。压力从4 MPa增至6 MPa时混合均匀性略有改善；进一步增至8 MPa时混合均匀性趋于平台，表明混合饱和开始出现。在4 MPa时截面内形成较清晰对称的涡结构，流向涡量范围为-1139.08～1487.55 s?1；6 MPa时涡量范围扩展至-1212.98～1619.96 s?1，正负涡量极值均增加；8 MPa时涡量范围为-1245.51～1207.00 s?1，负涡量峰值仅小幅增加而正峰值下降，表明进一步增压不再持续增强整体涡量水平，主要促进涡结构的空间重组和尺度细化。与混合性能对压力的弱依赖性相反，操作压力对水力学阻力的影响更为显著，压力从4 MPa增至8 MPa时整体压降从9.16 kPa上升至18.21 kPa，主要归因于高压下气体密度增大，在相同流速下增加了动压水平、湍流剪切效应和壁面摩擦损失。

**3.6 所提出混合策略的性能评价**

通过分析混合装置内的静压演变，研究人员发现扰动截面的局部压降显著大于喷射截面的压降，表明主要静压变化发生在含有扰动元件的区域。值得注意的是，喷射截面与扰动截面局部压降之和超过从入口到出口的净压降，表明最后一个扰动元件下游存在部分静压恢复。气体流经扰动元件时，挡板局部减小有效流通面积并持续改变流动方向，气体在挡板间隙间加速同时产生流动分离和涡结构，导致扰动截面内静压显著降低。流体离开最后一个扰动元件后，挡板引起的局部收缩和加速效应逐渐减弱，流速降低，部分动能转化为静压，从而实现混合器下游的部分静压恢复。与现有混合技术相比，所提出的逆流多孔喷射与静态扰动协同策略在高压条件下实现了快速均匀化，典型工况下混合器出口下游1D范围内MU>99%，压降保持在可接受范围，其优势主要归因于多级协同机制。

**4. 结论与展望**

本研究针对高压天然气管道掺氢过程中的混合不均匀问题，提出了逆流氢气喷射与静态扰动元件集成的混合方案。主要结论如下：（1）所提出的混合策略在混合器出口下游1D处即实现均匀的氢-天然气混合，逆流喷射增强了射流-主流相互作用、流体卷吸和径向动量交换，显著缩短了所需混合距离；（2）增加喷射孔数降低了压降但削弱了单个射流动量和剪切效应，在流体力学性能与混合效率之间存在权衡；掺氢比通过改变射流流量和浓度梯度影响扰动范围和氢气输运；（3）提高主流速度增强了湍流和二次流发展，但同时缩短了流体停留时间，限制了混合性能的进一步提升；较高操作压力强化了射流动量和流动扰动，但其有益效果在高压下逐渐减弱；（4）强化的混合源于逆流射流喷射与扰动诱导二次流的联合作用，其协同效应促进了界面破裂、径向输运和截面浓度再分布。所提出的策略为高压掺氢提供了一种紧凑有效的技术途径，为在线混合装置的设计与优化提供了物理基础。