螺旋型静态混合结构掺混数值模拟研究

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2026.04.005

摘要/Abstract

摘要：

为解决天然气掺氢管道输送过程中的浓度分层问题，提升短距离内的掺混效率，采用计算流体力学方法构建多组分湍流流动模型，对比研究了右旋叶片、交叉叶片及交叉孔隙叶片三种螺旋型静态混合结构的掺混特性、流场演化及压力损失，并以变异系数和掺混均匀度为量化指标进行了综合评价。结果表明，交叉孔隙叶片结构通过旋流+射流+二次流的协同作用，在2 m内能达到工业掺混要求（均匀度≥95%），5 m处的均匀度达到99.66%，浓度混合影响因子为9.14，压力损失为189.3 Pa；旋流+射流+二次流的协同作用是实现短距离高效掺混的核心机制，交叉孔隙叶片结构能够在保证低损输送的同时显著提升掺混效率。研究成果可为静态混合结构的选型提供参考。

关键词: 天然气掺氢, 静态混合结构, 数值模拟, 掺混均匀度, 螺旋叶片

Abstract:

To address concentration stratification during pipeline transportation of hydrogen?blended natural gas and improve mixing efficiency over short distances, a multicomponent turbulent?flow model was established using computational fluid dynamics. The mixing characteristics, flow?field evolution, and pressure loss of three spiral static mixer structures?right?handed blades, crossed blades, and crossed perforated blades were compared. The coefficient of variation and mixing uniformity were used as quantitative indicators for comprehensive evaluation. The results show that the crossed perforated?blade structure satisfies industrial mixing requirements (uniformity≥95%) within 2 m through the synergistic effects of swirl, jet flow, and secondary flow. The mixing uniformity reaches 99.66% at 5 m, with a concentration?mixing influence factor of 9.14 and a pressure loss of 189.3 Pa. It is concluded that the synergy among swirl, jet flow, and secondary flow is the core mechanism for achieving efficient short?distance mixing. The crossed perforated?blade structure significantly improves mixing efficiency while maintaining low?loss transportation. The findings provide a reference for the selection of static mixer structures.

Key words: Hydrogen-blended natural gas, Staticmixer, Numerical simulation, Mixing uniformity, Helical blade

中图分类号:

TE832

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图/表 13

图1 基础掺氢管道模型图

Fig.1 Model diagram of basic hydrogen?doped pipeline

表1 3种螺旋型静态混合结构的示意图、结构描述及核心混合机制

Table 1 Schematic diagram, structural description and core mixing mechanism of three spiral static mixing structures

单向旋流+

弱二次流

交叉叶片

左旋右旋叶片交叉相接，交错角为90°

左旋右旋叶片交叉相接，交错角为

90°，叶片上设置

$ϕ$ 10 mm的通孔

交叉孔隙叶片

双向流+强二次流

旋流+射流+二次流协同

表1 3种螺旋型静态混合结构的示意图、结构描述及核心混合机制

Table 1 Schematic diagram, structural description and core mixing mechanism of three spiral static mixing structures

结构类型

示意图

结构描述

核心混合机制

右旋叶片

相邻叶片右旋首尾相接

单向旋流+

弱二次流

交叉叶片

左旋右旋叶片交叉相接，交错角为90°

左旋右旋叶片交叉相接，交错角为

90°，叶片上设置

$ϕ$ 10 mm的通孔

交叉孔隙叶片

双向流+强二次流

旋流+射流+二次流协同

图2 不同网格数量下各检测截面中心位置氢气体积分数的变化规律

Fig.2 Variation law of hydrogen volume fraction at the center of each detection section under different mesh quantities

表2 不同网格数量下各监测截面氢气体积分数的相对误差

Table 2 Relative error of hydrogen volume fraction in each monitoring section under different grid numbers

网格数量	相对误差/%
网格数量	1.7 m	2.0 m	3.0 m	4.0 m	5.0 m
472 344	15.70	18.81	15.79	12.36	9.20
714 121	4.96	4.95	4.21	3.37	3.45
942 142	1.65	2.97	2.11	1.12	2.30
1 228 789

表3 不同螺旋型静态混合结构的压降特性与掺混综合性能对比

Table 3 Comparison of pressure drop characteristics and comprehensive mixing performance of different spiral?type static mixing structures

结构类型	压力损失/Pa	浓度混合影响因子	掺混达标距离/m	综合性能评价
右旋叶片型	125.6	2.51	2.89	掺混效率低，达标距离长，压降小
交叉叶片型	201.5	4.80	1.95	掺混效率较高，达标距离短，压降适中
交叉孔隙叶片型	189.3	9.14	1.89	掺混效率最优，达标距离短，相较于右旋型叶片压降略增

图3 计算区域局部网格划分图

Fig.3 Local grid division diagram of calculation area

图4 取样点分布图

Fig.4 Distribution of sampling points

图5 T型管内氢气与天然气两相掺混分布云图

Fig.5 Cloud contour of two?phase mixing distribution of hydrogen and natural gas in T?junction tube

图6 T型管监测截面掺混性能分析结果

Fig.6 Analysis results of mixing performance at monitoring section of T?tube

图7 不同混合结构的掺混分布云图

Fig.7 Nephogram of mixing distribution of different mixing structures

图8 T型管+右旋叶片型静态混合结构的各监测截面掺混性能分析结果

Fig.8 Analysis results of mixing performance at each monitoring section of T?tube with right?handed vane static mixing structure

图9 T型管+交叉叶片型静态混合结构的各监测截面掺混性能分析结果

Fig.9 Analysis results of mixing performance at each monitoring section of T?tube with cross?vane static mixing structure

图10 T型管+交叉孔隙叶片型静态混合结构的各监测截面掺混性能分析结果

Fig.10 Analysis results of mixing performance at each monitoring section of T?tube with cross?porous?vane static mixing structure

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