高压氢气/甲烷混合物在水平管道中流动与换热性能的数值分析

《ACS Omega》：Numerical Analysis on Flow and Heat Transfer Performance of High-Pressure Hydrogen/Methane Mixtures in Horizontal Pipelines

　　

向天然气中掺混氢气是在完全过渡至纯氢能源之前的必要途径，该方法也为减少碳排放提供了切实可行的方案。本研究以高压氢气/甲烷混合物为研究对象，通过数值分析方法探究其在水平管道内的流动与换热性能。研究人员在不同氢气摩尔分数、质量流率、环境温度及运行压力条件下，识别了混合物组分的一般流动与换热规律。结果表明，氢气的加入可降低摩擦阻力。当氢气摩尔分数在5%至30%范围内变化时，摩擦因子的最大降幅为1.03%。在氢气摩尔分数为15%的条件下，10 MPa和12 MPa的运行压力对对流换热产生显著影响。比定压热容随压力升高略有下降。研究人员提出了一种新的热物性经验关联式，该关联式对摩擦因子数据的预测误差小于±10%，对努塞尔数（Nu）数据的预测误差小于±20%。

全球能源短缺与环境污染问题的日益严峻，促使清洁能源技术的开发成为迫切需求。天然气作为一种理想的清洁能源，已在工业、交通及航天等领域获得广泛应用。目前针对天然气的研究主要以甲烷为替代工质进行。氢能因其来源广泛、清洁低碳、高效灵活等优势，被视为未来燃料与实现深度脱碳的重要能源选择。然而，受限于氢气生产与消费地域间长距离输送的基础设施匮乏、高成本及运输量有限等挑战，氢能在全球终端能源消费中占比仍不足3%。将氢气掺入现有天然气管网进行输送，已成为实现跨区域、经济化、规模化氢气运输的有效途径。欧盟NaturalHy项目、英国Hydeploy与H21 Leeds City Gate项目、德国DVG项目以及中国辽宁朝阳、山西晋城等地的氢掺混示范项目均已证实该技术的可行性。现有掺氢项目多采用20%以下的掺混比例，如美国HyBlend项目计划逐步将掺氢比例提升至1%–30%。

尽管已有大量研究关注高压流体的流动换热特性，但现有工质多集中于H₂O、CO₂、制冷剂、碳氢燃料及纯甲烷等，针对高压氢气/甲烷混合物的研究仍显不足。由于氢气与甲烷的热力学性质存在显著差异，亟需对单相流体中广泛使用的摩擦因子与努塞尔数关联式的适用性进行系统评估。鉴于此，研究人员采用数值模拟方法，系统考察了氢气摩尔分数、质量流率、环境温度及运行压力对水平圆管内混合物流动与换热性能的影响，并建立了适用于该工质的新型关联式。该研究成果发表于《ACS Omega》。

本研究采用SolidWorks软件建立物理模型，管道内径24 mm、壁厚2 mm、长度3000 mm，管壁材料为钢（λ = 16 W/(m·K)）。采用ANSYS FLUENT 22.0进行三维数值计算，选用SST k–ω湍流模型，该模型在近壁区流动结构模拟中具有优异性能。通过ICEM软件生成结构化网格，经网格无关性验证确定采用130万网格，首层边界层厚度0.001 mm，生长因子为1，确保y⁺ < 1。数值方法采用SIMPLE算法处理压力-速度耦合，动量及能量方程的对流扩散项采用二阶迎风格式离散。以Dang的超临界CO₂圆管换热实验为基准，验证表明SST k–ω模型预测换热系数的最大偏差低于7.1%，确认了数值模型的可靠性。混合物热物性数据通过NIST REFPROP v9.1真实气体数据库获取，并采用分段多项式函数进行拟合，与数据库的偏差控制在±1%以内。模拟工况涵盖：氢气摩尔分数α = 5%–30%、质量流率G = 50–150 kg/(m²·s)、运行压力P = 6–12 MPa、环境温度T_at = 248–308 K，入口温度固定为280 K。

**氢气摩尔分数的影响**

在入口质量流率G = 100 kg/(m²·s)、环境温度T_at = 308 K、运行压力P = 8 MPa条件下，研究人员考察了氢气摩尔分数对混合物流动换热性能的影响。结果显示，随氢气摩尔分数增加，混合物压降增快速率加快且变化均匀，压降与流体温度呈线性关系。当掺混比由5%升至30%时，压降增加34.1 Pa，温度上升1.86 K。这归因于氢气密度较低，导致流体密度逐渐降低，流速相应增加。在α = 30%时，混合物平均密度为38.91 kg/m³，较α = 5%时降低31.78%，平均流速相应增加30.26%。管道截面内温度、密度及湍动能分布呈非对称性，这是由重力效应引起的；在近拟临界区域，显著的密度变化导致浮力效应增强，造成径向速度与温度分布不均。同时，随掺混比增加，混合物湍动能呈上升趋势，氢气低粘度特性加速了流体从近壁区向主流区的动量传递。

**质量流率的影响**

研究比较了不同质量流率下氢气摩尔分数为5%和30%时的温度与湍动能分布。结果表明，压降随质量流率增加而增大，当氢气摩尔分数从5%增至30%时，在各质量流率下的压降幅值分别为29.06%、29.65%、30.04%、30.23%和30.33%。在α = 15%、G = 150 kg/(m²·s)时出现波动点，压降为475.39 Pa。质量流率增加同时影响流体温度，呈现质量流率越高、管内平均温度越低的趋势，这是因为氢气流速较快，在流动过程中携带更多热量。在α = 15%时出现温度波动点，该行为主要由临界温度附近比定压热容的变化导致：临界温度前比定压热容随α增加急剧下降，临界温度后则随α增加而上升。Fanning摩擦因子随不同质量流率呈波动下降趋势，最大降幅1.03%出现在G = 50 kg/(m²·s)。由于湍流趋势增强，努塞尔数随混合物质量流率增加而增大，换热性能得到改善。与α = 5%相比，G = 150 kg/(m²·s)时混合物努塞尔数降低33.11%，G = 50 kg/(m²·s)时降低32.64%。

**环境温度的影响**

环境温度变化对压降和温度分布产生显著影响。当T_at = 308 K时，压降增加最为明显，且增长比率随氢气摩尔分数增加而逐渐增大，最高达14.2%。在α = 30%时，与T_at = 248 K相比，压降分别增加10.66%（T_at = 273 K）和26.42%（T_at = 308 K）。最大温度损失出现在248 K、α = 5%条件下。入口温度固定为280 K时，当环境温度为248 K，管壁从管内流体吸收热量，形成显著温差，增强了换热性能。Fanning摩擦因子随流体温度线性变化，在T_at = 308 K时，氢气摩尔分数增加使温度上升1.86 K，Fanning摩擦因子降低0.031%；在T_at = 248 K时，温度降低1.96 K，Fanning摩擦因子降幅达2.67%。努塞尔数与环境温度呈反比关系，在T_at = 273 K时，氢气摩尔分数增加使努塞尔数降低33.73%。该现象归因于管内壁与流体间温差减小导致换热速率降低，从而在较高环境温度下管内流体温度升高；同时，随温度升高导热系数增大，进一步促使努塞尔数下降。

**运行压力的影响**

运行压力从6 MPa增至12 MPa时，压降随压力升高而减小，但随氢气摩尔分数增加，压降随压力升高的增幅减缓。当P = 12 MPa时，压降增加28.71%；每增加2 MPa，压降平均分别降低24.26%、19.42%和15.38%。低压条件下动态粘度和密度较小，温度升高使混合物粘度降低、流速增加，导致压降变化更为显著。温度变化在压力变化时并不显著，但在α = 15%、P = 10 MPa和12 MPa时出现峰值。当压力从10 MPa升至12 MPa时，温度分别升高0.191 K和0.132 K。努塞尔数在不同运行压力下分布变化较小，差异主要体现在α = 15%时的10 MPa和12 MPa工况。在6 MPa和8 MPa时，努塞尔数变化趋势几乎重合；α = 15%处出现波动点，10 MPa和12 MPa时努塞尔数较相同摩擦因子条件分别增长11.48%和10.75%。Fanning摩擦因子变化更为显著，同样在α = 15%时出现峰值，10 MPa和12 MPa时分别较前工况点增长0.13%和0.09%，相对该掺混比最低压力点（P = 6 MPa）的增长率分别为3.81%和5.11%。这些特征源于流体接近拟临界点时，比定压热容随运行压力变化显著；比定压热容在P = 8 MPa时达峰值9.01 kJ/(kg·K)，超过拟临界点后迅速下降，与压力变化呈反向关系。

**关联式的建立**

由于氢气/甲烷混合物热物性复杂多变，研究人员对比了现有典型对流换热关联式（Gnielinski、Yoon、Filonenko、Dittus–Boelter及Liao关联式）的预测能力。结果表明，现有关联式对本工质的预测存在显著偏差：Gnielinski对Fanning摩擦因子低估了约30%，Yoon和Filonenko则高估约30%；对努塞尔数，Gnielinski低估约40%，Dittus–Boelter高估约65%，Liao关联式的误差约30%。偏差主要源于工质及工况改变导致的热物性差异。

基于此，研究人员建立了新的关联式：f = 0.04186Re^?0.28(ρ_w/ρ_b)^0.244和Nu = 0.2029Re^0.6567Pr^0.2138(ρ_w/ρ_b)^0.346，其中引入了雷诺数（Re）、普朗特数（Pr）及密度比三个无量纲数。在α = 5%–30%、P = 6–12 MPa、G = 50–150 kg/(m²·s)、T_at = 248–308 K范围内，新关联式对Fanning摩擦因子的预测偏差控制在±4%以内，对努塞尔数的预测偏差控制在±5%以内，可有效预测氢气/甲烷混合物的流动与换热性能。

研究结论总结如下：在α为5%–30%范围内，相同运行压力下，由于氢气密度低、粘度小，水平管道内压降随氢气摩尔分数增加而增大，温度上升1.87 K，Fanning摩擦因子随氢气摩尔分数增加而降低；质量流率和氢气摩尔分数增加使压降和温度相应升高，尤其在α = 15%时质量流率对对流换热的影响更为显著，且随质量流率增大和氢气摩尔分数增加，努塞尔数增长率减缓；入口温度恒定时，环境温度在248–308 K范围内变化，α = 15%时Fanning摩擦因子增加6.59%，努塞尔数降低9.87%，随氢气摩尔分数增加，Fanning摩擦因子呈下降趋势，最大降幅2.61%出现在α = 30%，表明氢气/甲烷混合物在较低环境温度下具有更优的流动与换热性能；α = 15%时，10 MPa和12 MPa运行压力出现峰值，对Fanning摩擦因子影响显著，相同摩尔分数下与P = 6 MPa相比，温度分别升高0.191 K和0.132 K，努塞尔数分别增长11.48%和10.75%。