天然气是重要的优质清洁能源,合理地开采和利用天然气对工业生产和人民生活有着重要的意义,由于储藏在地层里的天然气压力大都很高,蕴含着巨大的压力能,天然气在开采和集输过程中,如何高效利用地层天然气压力能是一个具有重要研究意义和应用价值的课题。分压器是一种先进高效节能的压力交换设备,主要是利用激波和膨胀波对气体做功来实现压力能的传递,分压器的作用是将一股中压输入气体分成一股高压气体和一股低压气体输出,此设备能够在天然气开采和输运过程中有效地回收利用天然气的压力能,同时,分压器具有结构紧凑、装配检修容易、可带液操作等优点,在天然气处理中具有非常广阔的应用前景。目前,国内外对三端口的压力交换设备研究较少,为了获得分压器性能随参数的变化规律,本课题从理论分析、数值计算和实验研究三方面进行深入研究:(1)理论分析:运用气体动力学理论分析分压器的工作原理,介绍分压器的结构及工作过程,利用气体定常流动的理论分析分压器喷嘴内的气体定常流动,利用气体的非定常流动理论分析波转子通道内激波、膨胀波和接触面的运行规律,并绘制分压器波图。(2)数值模拟计算:建立分压器的数值计算模型,首先,运用二维单通道数值计算模型对分压器各喷嘴宽度进行初步核算;然后,运用流体计算软件Fluent对分压器内部流场进行二维整机多周期模拟计算。通过模拟计算分析了中压喷嘴宽度、高压喷嘴宽度、低压喷嘴宽度、偏转距离及固壁距离对分压器等熵效率的影响,同时总结了间隙、转速、压比及中压压力变化时分压器等熵效率的变化规律,从减小流动损失的角度考虑,提出了倾斜型喷嘴结构和楔形通道壁结构,用来提高分压器的性能。(3)实验研究:建立实验系统后,根据实验流程确定实验分析参数。研究了中压喷嘴宽度、偏转距离、高低压喷嘴匹配、转速、操作压力及间隙对分压器性能的影响,总结各个参数变化时,分压器性能的变化规律;同时,对设备性能进行分析诊断,总结降低设备性能的影响因素。通过上述研究可知,影响分压器性能的参数主要包括:喷嘴宽度、操作压力、固壁距离、偏转距离、转速和间隙,这些参数之间具有最佳的匹配关系,本文对分压器性能随参数的变化规律进行总结,这对以后设备改进具有一定的参考价值。