高壓氣罐排氣簡(jiǎn)化模型的預(yù)研模擬研究

嚴(yán)水霖

（福建永泰閩投抽水蓄能有限公司，福建 福州 350700）

1 問題描述與模擬模型

問題：模擬高壓氣罐向有限尺寸的開放空間中排氣的過程。重點(diǎn)關(guān)注排氣時(shí)氣體參數(shù)的持續(xù)變化過程，包括溫度變化、壓力變化和速度變化；模擬總結(jié)不同條件下排期過程結(jié)束所需的時(shí)間；總結(jié)相關(guān)影響因素及影響規(guī)律。

模型：氣罐尺寸Φ2 000×4 000，管路尺寸Φ100，管路長(zhǎng)度5 000。（單位mm）

參數(shù)設(shè)置：①初始溫度24 ℃；②初始速度0 m/s；③罐內(nèi)初始?jí)毫? MPa；④出口壓力1 MPa、2 MPa、4 MPa；⑤壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0[絕熱]、20 W·m-2·K-1、100 W·m-2·K-1、200 W·m-2·K-1；⑥計(jì)算網(wǎng)格90萬結(jié)構(gòu)化，邊界層初層網(wǎng)格高度0.2 mm、15層冪律增長(zhǎng)；⑦非穩(wěn)態(tài)模擬，時(shí)間步長(zhǎng)0.002 s，計(jì)算2 000步共4 s物理時(shí)長(zhǎng)；⑧浮力模型開啟，重力加速度9.8 m/s2，氣體浮力參考溫度24℃。

2 基準(zhǔn)工況的計(jì)算

以罐內(nèi)8 MPa、出口1 MPa、壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0 W·m-2·K-1的計(jì)算工況，作為基準(zhǔn)工況。

2.1 流場(chǎng)特征

（1）壓力特征

在高壓氣罐排氣的不同時(shí)刻，流場(chǎng)的壓力分布如圖2、圖3所示。圖3中可看出，氣罐至出口的壓力下降過程平順，但在管路出口處形成不連續(xù)的高壓-低壓相間變化，出現(xiàn)了典型超聲速射流的壓縮波-膨脹波結(jié)構(gòu)。

圖2 高壓氣罐排氣全流場(chǎng)壓力云圖

圖3 高壓氣罐排氣出口空間壓力云圖

（2）溫度特征

在高壓氣罐排氣的不同時(shí)刻，流場(chǎng)的溫度分布如圖4、圖5所示。氣罐至出口的溫度變化過程平順，隨著排氣進(jìn)行，管內(nèi)溫度逐漸降低，降幅大于20℃。管路出口處形成不連續(xù)的高溫-低溫相間變化，出現(xiàn)了典型超聲速射流的壓縮波-膨脹波結(jié)構(gòu)。

圖4 高壓氣罐排氣全流場(chǎng)溫度云圖

圖5 高壓氣罐排氣出口空間溫度云圖

（3）管路出口的超音速特征

使用渦結(jié)構(gòu)顯示方法，對(duì)管路出口處的超聲速射流進(jìn)行可視化處理，得到如圖6、圖7所示的馬赫環(huán)結(jié)構(gòu)。隨著排氣過程的推進(jìn)，馬赫環(huán)的間距變小，擴(kuò)張角度變大，說明流速逐漸下降，射流逐漸向擴(kuò)散性射流退化發(fā)展。對(duì)比文獻(xiàn)的研究結(jié)果，可知本算例模擬結(jié)果具有合理性。

圖6 高壓氣罐排氣出口的超音速流動(dòng)

圖7 高壓氣罐排氣出口空間的壓縮波-膨脹波結(jié)構(gòu)

圖8 文獻(xiàn)[1]高壓排氣出口流場(chǎng)模擬圖像

（4）管路內(nèi)部的超音速特征

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的噴管射流原理可知，達(dá)到聲速的氣流，其實(shí)現(xiàn)超聲速的條件必須是管路直徑先縮小后增大、先壓縮氣流再使氣流膨脹，在膨脹過程中實(shí)現(xiàn)超音速。因此，等徑管路內(nèi)的氣流速度不會(huì)超過當(dāng)?shù)匾羲佟５牵诒舅憷校捎诠苈反嬖趶澒埽瑲饬魍ㄟ^彎管時(shí)，受后臺(tái)階旋渦結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)際過流面積是先縮小、后擴(kuò)大，因此局部具備了氣流超音速的條件。模擬結(jié)果也顯示出，在彎管處出現(xiàn)局部超音速流動(dòng)，見圖9所示。

圖9 高壓氣罐排氣管路內(nèi)部局部超音速流動(dòng)

2.2 參數(shù)變化

如圖10設(shè)置測(cè)點(diǎn)，考察參數(shù)的變化過程。如圖11可見，在排期過程中，壓力和溫度下降，速度升高。說明排氣為絕熱過程，氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。在排氣初期，具有較為劇烈的變化，這與管路出口建立超聲速流場(chǎng)有關(guān)，在罐中也能檢測(cè)到這一影響，說明下游出口的超聲速振動(dòng)對(duì)上游也有較明顯的影響。

圖1 模型示意圖

圖10 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖11 測(cè)點(diǎn)參數(shù)變化過程（采樣率5 Hz）

2.3 潛在問題

（1）氣體降溫幅度大，對(duì)罐體和管路的材料性能可能產(chǎn)生影響。

綜上所述,在進(jìn)一步提高射頻技術(shù)使用效果的同時(shí),我們可以合理的將射頻技術(shù)應(yīng)用在疼痛治療中,本文總結(jié)了如何將射頻技術(shù)在疼痛治療中進(jìn)行有效應(yīng)用,提出了應(yīng)用的有效方式。

（2）排期初始階段建立超聲氣流的高能振蕩，對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生影響。

（3）管路內(nèi)部局部超聲速可產(chǎn)生多種危害，例如震動(dòng)和局部嚴(yán)重低溫等。

3 工況參數(shù)的影響

3.1 壁面換熱系數(shù)的影響

分別使用壁面換熱系數(shù)0[絕熱]、20 W·m-2·K-1、100 W·m-2·K-1、200 W·m-2·K-1進(jìn) 行模擬，可知本算例中壁面換熱系數(shù)幾乎無影響，流場(chǎng)圖像無顯著區(qū)別，此處僅列舉監(jiān)測(cè)曲線對(duì)比，見圖12所示。曲線幾乎重疊，差異很小。與管路過短、流速過快、換熱過程時(shí)間過短有關(guān)。

圖12 不同壁面換熱系數(shù)模擬結(jié)果對(duì)比

3.2 罐內(nèi)外壓差的影響

固定罐內(nèi)壓力8 MPa，分別使用出口壓力1 MPa、2 MPa、4 MPa進(jìn)行模擬，見圖13所示。模擬結(jié)果顯示，出口壓力較高、排氣壓差較小時(shí)，排氣初始階段出口建立超聲速流場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的流量波動(dòng)幅度較大，但達(dá)到穩(wěn)定流量的時(shí)間較短，同時(shí)排氣后期的流量衰減較快。

圖13 不同出口壓力模擬結(jié)果對(duì)比

流場(chǎng)圖像方面，出口壓力為1 MPa與2 MPa時(shí)差異較小，而出口壓力為4 MPa的排氣后期圖像有明顯變化，主要為管路出口的超聲速特征幾乎消失，說明在高壓氣罐的排期過程中，應(yīng)考慮跨聲效應(yīng)可能帶來的影響。

3.3 管路長(zhǎng)度的影響

在文獻(xiàn)[1]中，管路的長(zhǎng)徑比為1 257.86，壓差6.4 MPa，其計(jì)算得到排氣初始時(shí)管路入口處特征Ma數(shù)為0.14，壓差降低至4.5 MPa時(shí)的排氣時(shí)間為1 440 s。本算例中管路長(zhǎng)徑比僅為50，排期初始階段管路入口處特征Ma數(shù)為0.33，壓差降低至4.5 MPa時(shí)的排氣時(shí)間約為4 s。雖然排氣時(shí)間遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)值，但根據(jù)文獻(xiàn)提供的計(jì)算公式可知，初始Ma2對(duì)時(shí)間的計(jì)算具有指數(shù)級(jí)的影響。本算例與文獻(xiàn)的Ma2差別約為4.7倍，計(jì)算時(shí)間時(shí)可作為指數(shù)可產(chǎn)生數(shù)倍數(shù)量級(jí)的差別，故本算例結(jié)果與文獻(xiàn)差異較大，是符合理論分析的。

管路長(zhǎng)徑比除了通過阻力影響流量，在考慮壁面對(duì)流換熱的情況下還會(huì)影響氣流的溫度。短管路中的高速氣流近似于絕熱流動(dòng)；但當(dāng)管路足夠長(zhǎng)、換熱時(shí)間足夠充足時(shí)，高速氣流仍可通過對(duì)流換熱獲得能量，彌補(bǔ)管路阻力的能量損失。因此，使用長(zhǎng)管路進(jìn)行排氣時(shí)，排期時(shí)間具有正反兩種影響因素，過程較為復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證相關(guān)理論。

4 結(jié)論

（1） 通過構(gòu)建氣系統(tǒng)三維模型，完成數(shù)值模擬仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著排氣進(jìn)行，管內(nèi)溫度逐漸降低，降幅大于20℃。管路出口處形成不連續(xù)的高溫-低溫相間變化，出現(xiàn)了典型超聲速射流的壓縮波-膨脹波結(jié)構(gòu)。

（2） 在排氣過程中，發(fā)現(xiàn)超聲速流動(dòng)出現(xiàn)在彎頭處，且下游出口的超聲速振動(dòng)對(duì)上游也有較明顯的影響。

（3） 出口壓力不同時(shí)，流場(chǎng)現(xiàn)象差異明顯。出口壓力為4 MPa時(shí)，超聲速現(xiàn)象消失，說明在高壓氣罐的排期過程中，應(yīng)考慮跨聲效應(yīng)可能帶來的影響。

（4） 管路長(zhǎng)度對(duì)排氣壓力有正反兩種影響因素，過程復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證相關(guān)理論。