高壓氣站充氣管網數值模擬及優化設計?

王曉強 蘇永生 趙嘉煜 曾 杰

（1.海軍工程大學艦船與海洋學院 武漢 430033）（2.海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033）（3.中國人民解放軍91991部隊 舟山 316000）

1 引言

由于往復壓縮機機組存在力矩與慣性力不平衡、機組設計不合理、結構強度不夠、壓縮機管路內較大的氣流脈動等原因［1］，壓縮機管路往往會存在一定的振動，而管路振動會加速裂紋等缺陷地擴展，導致管路疲勞失效［2］。研究表明，壓縮機組和其附屬管路的振動主要是由氣流脈動引起的。氣流脈動引起的管路振動一般可以沿管道傳遞到很遠，可能對壓縮機及其管路系統造成嚴重的危害。

近年來，CFD模擬技術隨著計算機和流體力學理論的發展而在工業各領域得到廣泛應用。韓文龍等［3］采用了CFD 技術結合實驗，對管道氣流脈動計算模型進行了對比分析。蘇永升等［4］提出一種新型氣流脈動消減器，通過CFD數值模擬對其脈動消減器進行優化。孫嗣瑩等［5］研究了緩沖罐位置對氣流脈動的影響，得到了緩沖罐安裝位置對氣流脈動的影響。隨著抑制氣流脈動研究的不斷深入以及數值模擬方法等不斷發展［6～9］，抑制裝置及新型抑制措施不斷涌現［10～12］。以上研究均對減小壓縮機管網氣流脈動提供一定理論依據。

港口充氣站往往使用大型往復式壓縮機進行供氣，由于空壓機組的工作特性，有可能在充氣過程中使得管網內產生較大的壓力脈動，進而影響港口氣站的安全。為此，論文采用CFD方法對港口高壓氣站的管網系統-氣瓶組進行數值計算，研究管道上不同位置的壓力脈動規律，為降低管路振動提供參考。

2 充氣管網模型分析

根據充氣站二維平面圖，對充氣管網以及氣瓶進行三維建模，其正視圖與俯視圖如圖1 所示。兩臺壓縮機排氣口分別連接兩條管道（記為管1、管2），管1、管2 另一端與匯集管相接，匯集管與緩沖氣瓶相接，除管1、管2 中部連接有兩條排氣管道（記為排氣管1、排氣管2），壓縮機排出的另一部分氣體通過排氣管1、排氣管2排至室外。整個管網-氣瓶系統結構參數如下：1 號壓縮機出口氣體經冷卻水換熱冷卻后進入管1，管1 總長約為16.6m，直徑為15mm；2 號壓縮機出口氣體經冷卻水換熱冷卻后進入管2，2號壓縮機與1號壓縮機距離約4m，長為12.6m，直徑也為15mm；在距1 號壓縮機9.3m處，管1 連接排氣管1，排氣管1 長約7.3m，直徑為21mm；在距1 號壓縮機9.3m 處，管2 連接排氣管2，排氣管2 與排氣管1 等長，直徑也為21mm；匯集管長1.4m，直徑為15mm；氣瓶均為410L，直徑為0.3m，高約為1.5m。模擬設置的監測點位置：壓縮機出口附近、管1 與管2 的供氣配氣系統前后0.2m、管1 與管2 距1 號壓縮機13m 與16m 處、排氣管1 與排氣管2 距1 號壓縮機9.35m、13m 和14.5m處以及兩排氣管出口處，如圖2所示。

借鑒英國高校圖書館數字學術服務的實踐經驗，以及我國圖書館界目前在數字學術服務及數字人文服務方面的研究與實踐探索，本文提出以下建議與同行交流。

圖1 管網-氣瓶正視圖及俯視圖

圖2 管系結構及監測點位置

3 數值模擬

3.1 數學模型

為精確得出不同氣瓶分布方式之間的緩沖率，將壓力脈動峰峰值進行比較，如表2 所示。由表2中的數值可知，整個氣瓶組前移對管路脈動壓力減小有顯著作用，與原模型相比，管1、管2和排氣管1監測點壓力脈動峰峰值分別減小了36.54%、20.34%、20.44%，即使在排氣管2監測點中增大了，也才增大2.2%。氣瓶組為4+4 分布方式與原模型相比，管1、管2 和排氣管1 監測點壓力脈動峰峰值分別減小了19.78%、7.63%、5.39%，但在排氣管2監測點中增大了18.62%。

上述“胸椎壓縮性骨折”在精細化管理系統的分析中被確定為“經濟經營類”病種。封國生介紹，醫院將病種類型主要劃分為學術發展類、績效指標類、經濟經營類三大類，如器官移植等成本較高的病種，核算出來可能是賠錢的，但相關病種的難度高、科學價值高，稱之為“學術發展類”；有些病種雖然難度不高，但效益好，稱之為“績效指標類”。

1.治療藥物常用氟苯尼考，其口服量為每天20～30 mg/kg體重，分2～3次內服；肌注量為每天10 ～30 mg/kg體重，分2～3次注射，連用4～5 d，如果病情較重的，可多用2～3 d。

動量守恒方程：

為甄別株洲段河岸沉積物中重金屬的來源，這里先將重金屬元素的分析結果用Al進行標準化，以消除粒度效應，然后進行聚類分析(cluster analysis)．本研究采用組間平均距離聯接的系統聚類方法，選用平方Euclidean距離的度量標準，并用Z得分進行數據標準化處理，可將9種重金屬元素分為3大類(見圖2)：第一類(I)包括Zn、Pb、Cu、Co、Ni；第二類(II)包括Ba、V、Cr；第三類(III)為Mn．

式中，ρ為流體密度；t為時間；?為散度；u為速度矢量；p為流體微元體上的壓力；μ為動力粘度；Sx、Sy、Sz是廣義源項；cp為流體定壓熱容；T為流體溫度；k為流體傳熱系數；ST為粘性耗散項。

由SDS-PAGE結果(圖2)可以看到，3種樣品的電泳條帶相似，未見過敏原斷裂片段，僅有的不同是兩組水煮樣品在100～130 kDa之間的一個條帶比未加工花生蛋白樣略深，這可能是熱加工產生后蛋白聚集體導致的[16]。而iTRAQ實驗結果(表1)也表明，Ara h 1等8種過敏原蛋白的數量比值均在0.85～1.67之間，這也說明加工后各種過敏原蛋白的數量變化不顯著(兩種樣品間的相對含量大于2或者小于0.5時表現為具有顯著性差異)[30]。總體而言，水煮加工對各過敏原蛋白的數量沒有顯著影響，但可能產生蛋白聚集體等，從而影響其高級結構。

3.2 邊界條件及求解方法

由于壓縮機組周期性吸排氣的特性，為確保結果的準確性，模擬采用瞬態計算，時間步長為0.0015s。采用標準k-ε湍流模型，采用SIMPLE 算法，能量方程殘差設為1e-6，其余各項為1e-3。工質設為理想氣體，進口條件為速度入口，根據每個周期吸排氣時間點及對應的流速編寫UDF，加載于入口邊界條件中，氣體入口溫度為313.15K，出口條件為壓力出口，壁面設置為絕熱無滑移壁面。

3.3 網格劃分以及網格無關性驗證

同一工況下，三種氣瓶分布方式供氣出口端壓力脈動對比圖如圖12、圖13 所示。由圖12、圖13可知氣瓶組前移可降低出口端的壓力脈動峰峰值，而氣瓶組4+4 的分布方式會增大供氣出口端的壓力脈動峰峰值。對于排氣管1，氣瓶前移時出口壓力為7.5kPa，與原模型的出口壓力為15.5kPa對比，其壓力脈動峰峰值減小了約51.61%；對于排氣管2，氣瓶前移時出口壓力為10kPa，原模型出口壓力為12kPa，壓力脈動峰峰值減小了約16.67%，可見氣瓶前移對供氣口壓力脈動緩沖效果明顯。氣瓶4+4 分布時，排氣管1 的出口端壓力脈動峰峰值為22.06kPa，排氣管2 出口端壓力脈動峰峰值增大至21.16kPa。因此，想要有效降低管道壓力脈動值，可采用將氣瓶組前移的方法。

能量守恒方程：

圖3 管網-氣瓶網格劃分局部圖

同一工況下，采用CFD方法對不同模型進行數值計算，三種氣瓶分布方式下監測點壓力脈動對比如圖10、圖11所示。從中可看出，同一工況下管道內部的壓力脈動有所下降，其中將整個氣瓶組前移使得壓力脈動峰峰值下降得最大。將氣瓶組前移后管1、管2縮短了約7.3m，在長度縮短不利于減小氣流脈動的情況下壓力脈動峰峰值仍然下降，說明氣瓶置于鄰近壓縮機出口可很好的起到緩沖效果，可高效減小壓力脈動。由圖中還可發現管1、排氣管1 相比于管2 與排氣管2 壓力脈動下降幅度明顯，這是由于2 號壓縮機與1 號壓縮機相離約4m，即管2 比管1 短4m，氣流進入管2 后經5.3m 直接通過供氣配氣系統至排氣管，沒有得到足夠空間進行緩沖，因此管2 以及排氣管2 壓力脈動減小幅度較小，甚至在氣瓶組4+4分布方式下，排氣管2壓力脈動幅度比原模型大。

圖4 網格無關性驗證

4 計算結果及優化方法

4.1 原模型模擬結果

為便于對管網壓力脈動情況分析，將穩定后管網內部監測位置及供氣出口端的壓力脈動數據導出，結果如圖5、圖6和圖7所示。由圖5、圖6可知，管內各監測位置壓力脈動隨時間變化為正弦曲線，各監測位置的壓力脈動峰值存在相位差，與越入口端相距越遠，該位置截面的脈動壓力峰峰值越小。管1 在距進口0.1m 處壓力脈動峰峰值約為3MPa，距進口4.5m 處壓力脈動峰峰值約為1.98MPa，距進口9.5m 處壓力脈動峰峰值約為0.7MPa，距進口16m 處壓力脈動峰峰值約為0.53MPa。管2 在距管1 進口端的4.1m 處壓力脈動峰峰值約為2.78MPa，6.6m 處壓力脈動峰峰值約為2.4MPa，9.5m 處壓力脈動峰峰值約為0.59MPa，16m 處壓力脈動峰峰值約為0.46MPa。排氣管1 距管1 進口端的12m 處壓力脈動峰峰值約為0.8MPa，14.5m 處壓力脈動峰峰值約為0.77MPa。排氣管2 距管1 進口端的12m 處壓力脈動峰峰值約為0.7MPa，14.5m 處壓力脈動峰峰值約為0.705MPa。由圖7可知，兩個供氣管的出口端壓力脈動幅度呈正弦曲線。供氣管1 最大壓力脈動峰峰值約為15.5kPa，供氣管2 最大壓力脈動峰峰值約為12kPa。

圖5 管網-氣瓶-管1、管2各監測位置壓力脈動對比圖

圖6 管網-氣瓶-排氣管各監測位置壓力脈動對比圖

圖7 管網-氣瓶-排氣管出口壓力脈動圖

4.2 優化方法及模擬結果

為降低管網脈動壓力峰峰值，可采用增設消音器、改變氣瓶分布方式、減小進口氣體流速、增大管徑等方法。考慮到港口充氣站設備布置調整的可操作性，提出兩種氣瓶分布方式：1）將整個氣瓶組往前移。2）將氣瓶組中8 個氣瓶分成4 個+4 個，依次在1 號、2 號壓縮機出口排列放置。將整個氣瓶組前移放置于鄰近1號、2號壓縮機，在壓縮機出口約0.1m 處連接管道，將管1、管2 部分氣流匯合后引向氣瓶組，這樣管1、管2長度縮小至從壓縮機出口至供氣配氣系統。模型結構如圖8 所示。將整個氣瓶組拆成4 個+4 個，依次排列放置于管1、管2進口端，即氣流從管1、管2進口后依次直接排至氣瓶中，管1、管2長度縮小至從壓縮機出口至供氣配氣系統。模型結構如圖9所示。

圖8 氣瓶組前移三維結構圖

圖9 氣瓶組拆為4+4三維結構圖

對于網格無關性的驗證，為節約計算成本，以管網+2個氣瓶為例，將3種不同網格系統按照網格數量從小到大分別為135 萬，149 萬和173 萬，對同一工況進行模擬，得到出口穩定的壓力脈動數據，如圖4 所示。結果發現，網格數為149 萬與173 萬的模型模擬的出口壓力脈動幾乎重合，并且三個網格數量下計算得出的出口壓力脈動誤差分別為0.3%和0.07%，滿足誤差要求。因此，采用網管+2個氣瓶模型下網格數量為149萬的網格模型。

圖10 管1、管2不同氣瓶分布方式壓力脈動對比圖

圖11 排氣管1、排氣管2不同氣瓶分布方式壓力脈動對比圖

表2 不同氣瓶分布方式下監測點的壓力脈動情況對比

由于管道與氣瓶直徑相差較大，因此采用分區域劃分。因管道單位網格尺寸較氣瓶小得多，排氣管的直徑比管1、管2直徑略微大些，則排氣管的單位網格尺寸較管1、管2稍大些，整個模型均采用非結構網格劃分，所生成的部分網格如圖3所示。

圖12 不同氣瓶分布方式排氣管1出口端壓力脈動對比圖

圖13 不同氣瓶分布方式排氣管2出口端壓力脈動對比圖

5 結語

論文通過對港口高壓氣站的管網系統-氣瓶組進行CFD數值計算及管路內、出口端的壓力脈動進行分析優化，研究了不同氣瓶分布方式對管內以及管道出口處的壓力脈動情況，得出下列結論：

1）充氣站高壓管道內部各個位置穩定后的壓力脈動呈周期性，脈動幅度與正弦曲線相似，不同位置的壓力脈動峰值存在相位差。由脈動大小可知，與管道入口相距越遠，該位置截面的脈動壓力峰峰值越小。

2）將氣瓶組前移至1號壓縮機和2號壓縮機之間，與原模型相比，管1、管2 和排氣管1 監測點壓力脈動峰峰值分別減小了36.54%、20.34%、20.44%，即使在排氣管2 監測點中增大了，也才增大2.2%，即總體上氣瓶組前移顯著降低了壓力脈動。

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3）氣瓶組為4+4分布方式與原模型相比，管1、管2和排氣管1監測點壓力脈動峰峰值分別減小了19.78%、7.63%、5.39%，但在排氣管2監測點中增大了18.62%。

4）氣瓶組前移供氣管1 出口壓力脈動峰峰值減小了約51.61%，排氣管2出口壓力脈動峰峰值減小了約16.67%；氣瓶4+4 分布時，排氣管1 的出口壓力脈動峰峰值增大至22.06kPa，排氣管2 出口端壓力脈動峰峰值增大至21.16kPa。因此，可采用將氣瓶組前移的方法來降低管道壓力脈動。