LNG低温波纹软管内流体流动特性模拟分析

连接浮式LNG生产船与运输船之间的低温波纹柔性管道是整个浮式LNG装置传输工艺的关键设备[1-3]。从设计及制造的角度考虑，柔性低温软管在LNG运输船和装载船间液体输送中具有很大的应用前景，特别是小直径的柔性低温软管在各种低温LNG传输场景中应用超过了30年[4]。随着LNG装载系统向大型化和复杂化发展，对现有的LNG输送技术要求更加严格。目前，国外在LNG低温传输管道的设计分析、制造和安装方面的优势十分明显[5]，而我国还处在初步探索阶段。

目前，关于LNG低温柔性软管的研究主要集中在其弯曲性能[6]、结构分析[7-8]及应力分析[9]等方面，针对管内流体的流动研究相对较少。Rajeev等[10]利用数值模拟的方法，分别基于RANS和DDES湍流模型，研究非稳定状态下流体在管内流动过程中的沿程压降及流动阻力的变化规律，得出了管内压降受软管波纹深度影响明显这一结论。Jean Brac等[11]通过建立流动模型，对稳定状态下低温软管内流体流动过程中压力变化规律进行了分析，并认为静止状态下沿管内各方向的流体压力分布具有一致性。

此外，波纹结构的存在会增加波纹软管内流体流动过程中的扰流和流动阻力[12]，增强流体与外界的换热，因此针对波纹管内传热特性的研究也较多[13-14]。研究表明，在同等情况下采用波纹管套管换热器的总传热系数比光管情况增加55%～250%[15-19]。因此，波纹管在传热领域的应用也较为广泛，但波纹管这一传热特性反而不利于其用于LNG的传输。

由此可见，将波纹软管应用于LNG卸船系统之前须对管内流体流动特性进行机理研究，其难点在于如何利用计算流体动态模型准确描述波纹软管内低温液体的流动状态，包括流体的压降特点及波纹附近的湍流变化情况等。本文基于前期调研结果，通过对比分析，建立了合理的几何模型和物理模型，选择了合适的网格划分方式及边界条件，最终对不同工况下流体在波纹软管内的流动状态进行了研究，得到了管内流体、速度场、压力场及温度场的分布情况，为减少流体在波纹软管内流动过程中的阻力及热量损失的研究打下基础。

1 波纹软管模型建立

1.1 几何模型

图1为本文建立的波纹软管三维几何模型，主要分析流体在波纹软管模拟段的流动特性。刚进入管内的流体处于非稳定流动状态，因此在波纹软管进口处增加入口缓冲段。同时，为避免流体流出波纹软管时产生回流，在出口处增加出口缓冲段。

图1 波纹软管几何模型
Fig.1 Geometry model of corrugated flexible pipe

波纹软管模拟段局部结构如图2所示，其中d为内径，D为外径，A为波厚，q为波距。

图2 波纹软管结构示意图
Fig.2 Structure of corrugated flexible pipe

考虑到模拟结果的准确性及计算条件的限制，选择长度为110 m的波纹软管模拟段为研究对象，其详细参数见表1。

表1 波纹软管详细参数
Table 1 Detail parameters of the corrugated flexible pipe

1.2 网格模型

流体在波纹软管内壁波纹处流动时会产生扰流，湍动能增加。为准确模拟流动状态，对波纹软管内壁处网格进行加密处理，并添加5层边界层。图3为波纹软管上部波峰局部网格放大图。

图3 波纹软管上部波峰局部网格
Fig.3 Upper wave crest local grid of corrugated flexible pipe

针对复杂的结构模型，在瞬态下的计算结果与网格质量的好坏具有很大关系，只有当网格质量达到一定程度时，网格划分对模型结果的影响才可忽略不计。本文研究将网格质量控制在0.3以上。为验证网格无关性，选取140万～175万中的5种不同网格数量下的模型进行同一工况条件的计算，结果表明，当网格数量从1 440 741上升到1 748 865时，压力计算结果的相对误差小于0.10%。为确保最小的计算量及足够的网格无关性，选择网格数为1 440 741的模型进行模拟分析。

1.3 物理模型及边界条件

LNG流体流过U型波纹软管模拟段时会产生旋转效应和射流，因此在计算中选择realizable k-epsilon模型，并考虑增强壁面效应。但随着时间的延长，流体在波纹软管内逐渐达到稳态流动。本文研究LNG在波纹软管内的流动过程所采用的计算参数及边界条件见表2。

表2 波纹软管流动模拟计算参数及边界条件
Table 2 Parameters and boundary conditions of flowing simulation for corrugated flexible pipe

1.4 可靠性验证

针对本文研究所用模型，设置与文献[12]相同的结构尺寸和边界条件，比较分析本文模拟结果与文献[12]实验结果。结果表明，在雷诺数由3×105增加到2×106时，本文模拟结果与文献[12]实验结果的误差在13%以内，说明本文所建立的计算模型具有可靠性。

2 流动特性分析

2.1 流体分布

LNG流体在波纹软管内的流动如图4所示。刚进入管内的流体呈均匀流动；进入波纹软管模拟段的瞬间，流体向四周散开，且在波纹软管模拟区域存在较大的浓度梯度，最大处达40.963 m-1。随着LNG流体不断进入波纹区域，流体在波纹软管内逐渐趋于稳定流，在软管内具有相同的运动规律。

刚进入波纹软管模拟区域的LNG流体分布均匀度较低，尤其在波峰附近,这是由于流体经过波峰时会产生逆时针的漩涡，这种现象在刚进入波纹模拟区域时最为明显。如图5所示，分析波纹区域沿流动方向的壁面剪切力可知，在进口处剪切力较大，但在波纹软管内部，随着波纹软管长度的增加，沿流动方向LNG流体处于稳定流动。

在波纹软管进口处，漩涡中的一部分流体在波峰的后半部分脱离主流(即流动分离点)，被漩涡带到波谷区域停留一段时间后进入波峰前半部，最后被卷吸回主流(即流动重合点)。这是由于壁面剪切应力随着波纹的扩张而减小，在流动分离点处达最小值；随着波纹收缩，壁面剪切应力增大，在流动重合点处达最大值，流体流经波纹处时受到扰动效应非常明显。由于扰动的存在，流经管壁的LNG流体会产生回流，导致管内LNG压力损失和温度变化。由图4可知，波峰对LNG流动的影响主要出现在软管进口处，随着波纹软管模拟段的增长，软管内部管壁处的扰动效应逐渐减弱。

图4 波纹软管内流体流线图
Fig.4 Motion track of the fluid in corrugated flexible pipe

由图5可知，在低雷诺数时，剪切应力变化不大，随着LNG流体不断进入波纹软管模拟区域，LNG流体在波纹软管内的流动趋于稳态流动。当雷诺数较大时，波纹区域进口处存在较大的剪切力变化，较大的剪切力变化导致边界层对流体的扰动明显，管内流体在高雷诺数条件下可能出现气泡或管内空蚀现象。

图5 波纹软管模拟区域沿流动方向的壁面剪切力曲线
Fig.5 Wall shear stress curve of the corrugated simulation area

2.2 速度分布

由于受到波纹影响，流体在波纹软管内的流动存在速度变化区间。根据动量传输原理，管内不同位置区域的速度变化不一致，分析不同边界条件下波纹区域沿流动方向的湍动能变化趋势，如图6所示。在低雷诺数下，湍动能较小，且在进出口处湍动能变化不大，这是因为低雷诺数下湍流区的漩涡尺寸和强度较小，扰动不明显。但随着雷诺数的增大，湍动能逐渐增大，湍动能变化明显。

图6 波纹软管模拟区域沿流动方向的湍动能
Fig.6 Instantaneous turbulence kinetic energy of the corrugated simulation area

当雷诺数为1.95×106时，波纹软管内沿流动方向不同轴向截面的速度分布如图7所示。通过分析可知，流经波峰区域LNG流体的速度比主流区的速度要小得多，流体可以在波峰区域逗留一定时间，在波峰区域几乎不会产生速度梯度；但受扰动的影响，湍动能较大，波纹软管主流区的LNG流动存在速度梯度。图7中z代表沿轴向方向截面偏离波纹软管中心线轴面的距离，随着偏离中心线轴面的距离减小，速度梯度逐渐增大。在波纹软管中心线轴面区域，即z=0处，LNG流体的流动受波纹扰动影响最大。图7a、d分别为距离中心线轴面±20 mm处截面上的速度分布图，两处截面相对中心线截面为对称分布，两截面速度变化趋势一样,说明经过500 s以后，波纹软管内的LNG流体趋于稳定流动，受波纹扰动影响较小。

图7 波纹软管内沿流动方向不同轴向截面的速度分布(Re=1.95×106)
Fig.7 Streamwise variation of velocity magnitude contours at different axes cross sections of the corrugated pipe(Re=1.95×106)

波纹软管内垂直流动方向不同径向截面的速度分布如图8所示。由图8可知，刚进入波纹软管内的流体，由于湍流的存在，造成横截面上的LNG流体存在速度梯度。随着波纹软管模拟区域的影响增大，扰动增强，横截面的速度梯度也随之增大。随着时间的推移，软管中心区域的速度逐渐增大，LNG流体逐渐向管中心区域汇集，管中心处存在最大LNG流速。尽管如此，当LNG流体在足够大的速度条件下流动时，在波纹软管中心处的LNG流体受波纹影响可以忽略不计。

图8 波纹软管内垂直流动方向不同截面的速度分布(Re=1.95×106)
Fig.8 Instantaneous velocity magnitude contours at different cross sections of the corrugated pipe(Re=1.95×106)

综合以上分析，由于波纹的影响，管内轴向及径向截面上的LNG流体均存在较大的湍流梯度，但随着时间和波纹软管长度的延长，LNG流体在管内的流动受波纹的扰动影响减小，波纹软管内的LNG流体趋于稳定流动。

2.3 压力分布

不同雷诺数下波纹软管模拟区域沿流动方向的涡黏度如图9所示。由图9可知，当雷诺数较小时，涡黏度变化不明显；随着雷诺数增大，涡黏度增大，表面湍流的漩涡尺寸和强度随之增大。由于波峰、波谷分别被漩涡占据，主流与漩涡之间的对流不会发生，无流体进出漩涡。由图7可知，在分离点和重合点处速度梯度为0，故图9中曲线拐点位置即为流体流动的分离点和重合点位置。因此，波峰和波谷处不存在压力梯度，同时涡黏度随流体在波纹软管区域的流动不断增大，LNG流体沿流动方向存在压力降。

图9 波纹软管模拟区域沿流动方向的涡黏度
Fig.9 Instantaneous local eddy viscosity of the corrugated simulation area

当雷诺数为1.95×106时，分析LNG流体在波纹软管内的流动可知，管内流体压力降的大小直接影响LNG流体在管内遇到的流动阻力。观察图10可知，LNG流体从入口缓冲段进入波纹模拟区域的一瞬间，压力急剧变化；而在波纹段，压力变化较均匀。同时，当LNG流出波纹段时，压力有上升趋势。

图10 波纹软管沿流动方向的压力分布(Re=1.95×106)
Fig.10 Pressure distribution along the flowing direction of corrugated flexible pipe(Re=1.95×106)

绘制LNG流体的压力随流动方向变化曲线，如图11所示。虽然LNG流体沿波纹软管垂直流动方向的压力在很小的区间震荡剧烈，但沿流动方向的压力仍是均匀变化的。

图11 波纹软管沿流动方向压力变化曲线
Fig.11 Instantaneous pressure fluctuations curve along the flowing direction of corrugated flexible pipe

2.4 温度分布

在模拟及实际LNG流体流动过程中，LNG流体在波纹软管内的流动与外界环境不交换热量，LNG温度变化是由波纹对流体的扰动造成的压力损失和热量损失引起的。当雷诺数为1.95×106时，波纹模拟段流体温度分布如图12所示。由图12可知，波纹模拟区域的整体温度变化很小，说明本文设置的边界条件不足以对管内LNG流体温度造成很大影响。

图12 波纹软管模拟区域沿流动方向的温度分布(Re=1.95×106)
Fig.12 Temperature distribution along the flowing direction of the corrugated simulation area(Re=1.95×106)

为更加准确地说明波纹造成的流体扰动对LNG温度的影响，绘制LNG流体温度随流动方向变化曲线，如图13所示。由图13可知，由于管内波纹的存在，流体产生回流，流体流经波纹软管壁面区域时温度会有小幅的波动，但几乎可以忽略不计。

综合以上分析，波纹软管内波纹的存在会对管内LNG流体的温度分布造成影响，但在合适的边界条件下，对LNG流体造成的热量损失几乎可以忽略不计。

图13 波纹软管沿流动方向温度变化曲线
Fig.13 Instantaneous temperature fluctuations curve along the flowing direction of corrugated flexible pipe

3 结论

1)波纹软管进口处的波纹会引起壁面剪切力的变化，产生扰动效应，在波纹软管模拟区域进口处的流体会出现回流和流动阻力现象。

2)低温波纹软管进出口处的波纹可引起高雷诺数下流动的流体产生气泡及管内空蚀现象，该现象随着流体在波纹软管内流动趋于稳定而消失。

3)由于扰动效应的存在，波纹软管模拟区域进口处的流体具有速度梯度和压力梯度，在波纹软管出口处压力有上升趋势，造成LNG流体温度波动和热量损失。但是，即使出现较大扰动效应，在较高雷诺数条件下，波纹软管内LNG温度变化和热量损失仍可以忽略不计。