CFD模擬在某大空間抽真空充氣過程中的應用

潘欣鈺

中船第九設計研究院工程有限公司

大空間抽真空后，利用大氣壓自然充氣的過程在工業實驗室工程中得到廣泛的應用。在設計該類項目的管路系統時，因為管徑的選取關系到風管入口外的風速分布以及整個充氣工程所需的時間能否滿足工藝的要求，所以確定一個合理的管徑是非常重要的。由于此類充氣過程時間計算涉及到管路系統氣動特性，往往需要經過實驗才能得到相應數據，從而帶入經驗公式計算[1]，因此一般的工程設計中較難實現。本文通過CFD模擬技術，先得到了風管入口處的風速分布，從而確認入口鄰近區域是否會存在風速過大，影響機器或工人安全的區域。還得到了充氣工況下，風管中的速度分布情況，并將其作為后續編制充氣時間計算程序中氣體狀態方程質量流量計算的邊界條件。

1 DN800管道進口處速度場模擬

本工程中的大空間體積為80000 m3，通過真空泵將其抽至20000 Pa，此時打開管路上的閥門，利用大氣壓自然充氣至大空間室內壓力也為101325 Pa為止。根據氣體動壓的計算公式[2]，此時入口處的軸心風速可按式1估算：

式中：△P為壓差，此處取大氣壓與抽真空后室內壓力之差81325 Pa；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3。

根據計算剛打開閥門時，風管入口處的軸心風速可達368 m/s，該數值超過了音速，因此有必要檢驗入口外的風速分布情況，以此確定附近存在威脅人員或設備安全的風速過高區域。

本文采用CFD軟件計算風管入口處的風速場分布。先將該研究對象簡化為一個兩維對稱問題，并將其劃分計算區域如圖1所示：

圖1 充氣問題對稱2D網格劃分簡化模型

整個計算域分為三個部分，分別是室外大氣壓區域、風管區域和室內區域。由于風管中的風速梯度比較大，因此在劃分網格時將風管附近區域進行了加密，網格數一共為27360個結構化單元。另外，根據工程實際參數，本次計算的邊界條件為計算域左端為壓力入口，設定值為101325 Pa，計算域右端為壓力出口，設定值為20000 Pa。

將設定好的網格文件導入到CFD模擬軟件中，檢查網格無誤，并設置湍流模型為k-ε兩方程模型，使用絕對壓力的表示方法，設置兩個壓力邊界條件，其它的為壁面條件，經過迭代計算，可以得出速度場分布如圖2所示：

圖2 風管入口處的速度場分布

使用散點圖的作圖方式還可以方便地得到離開風管入口中心的水平距離與風速的關系，如圖3所示：

圖3 風管入口處的速度場分布

圖3中，顯示了風管入口中心向室外的距離與風速大小的關系，可以看到當水平軸心距離達到20 m時，風速降至20.19 m/s。根據相關風速對人體影響的研究[3]，當蒲福風級達到8級（烈風）時，也就是風速為20.8～24.4 m/s，人將會徹底無法行走，而當蒲福風級為7級（大風）時，也就是風速為17.2～20.7 m/s，此時對人的行走有阻礙作用，保持平衡比較困難，但還不至于發生嚴重的安全事故。因此，在風管回氣時，應該禁止人員在離墻20 m處活動。并且需要加設安全圍欄，對20 m以內的設備進行加固處理，以免產生安全事故或損壞設備。

2 風管速度衰減程度模擬

為了計算該空間的充氣時間，先需要知道風管空氣的風速，根據風管面積即可求得相應的流量。隨著室外氣體充入室內，室內的氣體質量會逐漸增加，而室內的體積是一個定量，因此根據理想氣體狀態方程就可以求得此時室內的氣體壓力，將室內的壓力與大氣壓力101325 Pa進行對比，直到兩者的殘差達到0.1 Pa時，即認為充氣過程已經基本完成，此時將計算的時間步長乘以迭代次數就可以得到相應的充氣時間。其計算程序的邏輯步驟如圖4所示：

圖4 充氣時間計算邏輯

可以看到整個計算過程，先需要獲得風管出口平均速度和軸心風速之比，也就是計算邏輯中的第一和第二步，而這也恰恰是通過經驗公式無法計算的?；谝陨显?，本文采用CFD模擬方法將大空間簡化成一個兩維對稱問題進行計算。為了得到室內不同壓力工況下的風管出口平均速度與軸心風速之比，本模擬設置了室內壓力 90000 Pa，80000Pa，70000 Pa，60000 Pa，50000 Pa，40000 Pa，30000 Pa，20000 Pa 等共 8 種情況，通過后處理可以得到由動壓方程計算出的軸心速度和風管出口斷面上的平均風速數據以及相應的速度衰減系數，如表1所示：

表1 軸心風速與出口平均風速對比

由此，在充氣時間計算中，用于計算氣體質量流量的速度衰減系數即可取多工況下的平均值，即速度衰減系數取0.781。

3 充氣時間程序編制與計算結果

根據上述的充氣時間計算路線，和業主方需要用兩根管徑相同的風管在30分鐘內完成充氣過程的工藝要求。使用C#語言編制計算程序[4]，實現在用戶輸入管徑，計算時間步長和速度衰減系數的前提下，輸出相應每個時間步長的室內壓力、流入氣體質量等相關數據，并給出充氣過程所需的時間。

圖5 程序初始設置界面

程序中涉及的變量例舉如下：t為時間，outPressure為室外大氣壓，inPressure為室內壓力，diameter為直徑，deltaT為計算的時間步長，x為表3.1中所求的速度衰減系數，取值為0.781。程序運行界面如圖5和圖6所示：

圖6 程序結果顯示界面

分別設置管徑0.4 m和0.35 m兩種情況，時間步長為1 s，即1 s進行一次迭代計算，速度衰減系數取0.781。計算程序結果為：兩根直徑0.4 m的圓管能夠在30.93 min內完成充氣，而兩根直徑0.35 m的圓管則需40.42 min。因此選擇兩根直徑0.4 m的圓管作為本工程的充氣管路。室內壓力隨著充氣時間的變化如圖7所示：

圖7 室內壓力隨充氣時間的變化

4 實驗與結論

本工程在管路系統安裝完畢之后，進行了充氣運行。利用一根直徑0.4 m的圓管用時60 min完成了80000 m3大空間的大氣壓自然回氣過程，與簡化模擬計算方法所得到的結果十分相近。因此，本文所提供的模擬和計算方法能夠較好地預測利用大氣壓自然充氣過程所需的時間，為該類設計提供了簡化的算法。