基于流体高速膨胀特性的天然气液化机理研究

The expansion liquefying mechanism of natural gas in high speed flows will be investigated by theoretical, numerical and experimental methods. The gas dynamics, non equilibrium thermo - dynamics and dynamics of phase transformation will be utilized to analyze the flow characteristics of natural gas, combined with the advanced modern experimental and measuring techniques for fluid flows. The liquefying parameters of natural gas are expected to be obtained in the over-expansion conditions induced by the high speed. The research contents include the following: (a) the computational fluid dynamics modeling on surface tension of liquefied droplets of natural gas; (b) mathematical model of expansion liquefying of natural gas in high speed flows; (c) parametric analysis of various conditions on liquefying process involving the inlet parameters, the expansion ratio, the condensation nuclei and so on; (d) the experimental tests of the liquefying parameters and the experimental study of the liquefying mechanism of natural gas in high speed conditions. An advanced novel liquefying apparatus can be developed with independent intellectual property through our studies. The results will broaden the research area of gas dynamics and heat and mass theory and deepen the understanding of liquefying characteristics of hardly condensed gas in ultralow temperature conditions induced by high speed.

本项目以高速流动条件下天然气的膨胀液化机理为研究目标，采用气体动力学、非平衡热力学和相变动力学,并结合现代流体实验测试技术对高速流动时天然气的膨胀液化规律进行系统的理论与实验研究，探究天然气在高速流动过程中膨胀液化参数的变化规律。具体包括：天然气液化液滴表面张力计算模型研究；天然气高速流动膨胀液化数学模型研究；不同入口参数、膨胀率、外界核心等影响因素对天然气高速流动液化特性的影响规律研究；天然气高速流动液化过程中有关液化参数的实验测量；最后对高速流动条件下天然气的液化机理进行实验研究。本项目的研究无论是对于研究开发具有自主知识产权的高速流动的天然气液化技术,还是对于拓宽气体动力学与传热传质学的研究领域，加深人们对超低温难凝气体在高速流动中的液化现象的认识，都有非常重要的理论与实际意义。

本项目以超声速流动条件下天然气的凝结特性为研究目标，结合气体动力学、热力学、相变理论及超声速流动条件下气体凝结测试系统对超声速流动时天然气的凝结特性规律进行系统的理论与实验研究。主要研究工作及创新点如下：.（1）建立了修正的气体凝结模型。应用SRK方程气体状态方程和BS液滴表面张力模型对单、双组分气体成核模型进行了修正，并用实验数据验证了修正模型的准确性及适用性；基于类单组分假设，提出了双组分体系中液滴生长速率计算模型。.（2）建立了完整的超声速流动条件下天然气凝结数学模型，获得了超声速流动条件下天然气凝结相变特性，确认了超声速条件下天然气液化的可行性。结合修正的单、双组分凝结模型，建立了目前较为精确的超声速流动条件下气体凝结数学模型并分析了凝结特性及规律。.（3）提出了外加凝结核心促进天然气液化的方法，分析了非均质成核理论促进液化的可行性。研究结果表明，非均质凝结过程中，外界核心的存在能够有效地降低气体凝结过程中的自由能障，促进液滴的凝结及生长；外界核心浓度的增大有利于凝结过程的发生，但外界核心半径不能过大。.（4）设计开发了一套用于研究超声速流动条件下气体凝结相变特性的实验系统，包括矩形截面可视化喷管、分布式压力测试系统、光学颗粒测试系统以及数据采集系统。对喷管内超声速流动条件下单组分、双组分气体流场中压力及凝结参数分布进行了测试，并将实验结果与数值模拟结果进行对比分析，验证了所建立模型的准确性。.本研究发表论文17篇，其中SCI检索4篇，EI检索6篇；申请专利3项，国外发明专利1项；获省部级科技奖励2项；申请到延伸课题3项。.本项目研究所涉及的高速膨胀天然气凝结特性研究等内容不仅对气体凝结理论的完善具有重大的理论价值，而且对于天然气液化新技术的研究与开发，完善和发展天然气加工工艺，降低天然气液化成本，实现天然气液化行业的节能减排以及煤层气和页岩气的开发开采都具有重大的现实意义，推广应用前景广阔。