活塞壓縮機氣流脈動數(shù)值模擬及實驗驗證

1、活塞壓縮機氣流脈動數(shù)值模擬及實驗驗證活塞壓縮機氣流脈動數(shù)值模擬及實驗驗證1、緒論1.1研究背景及意義活塞式壓縮機廣泛應用于石油、化工、冶金、天然氣行業(yè)，作為一種重要的氣體增壓設備，在一些工藝流程中發(fā)揮著關鍵作用，這些設備能否正常運行直接關系到企業(yè)的生產(chǎn)能力[1]。在持續(xù)安全生產(chǎn)中威脅最大的是管道振動，而管道振動的最大誘因就是氣流脈動。由于活塞式壓縮機吸、排氣的非連續(xù)性，不可避免使管道內(nèi)氣體壓力出現(xiàn)周期性的波動，這就是氣流脈動[12]活塞

2、式壓縮機管道系統(tǒng)都存在一定程度的氣流脈動，這種脈動的壓力在管道的突變截面、彎頭、盲管、閥門等處產(chǎn)生交變的激振力，進而引發(fā)振動，工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)劇烈的管道振動導致管路焊接處或法蘭聯(lián)接處振斷，造成生產(chǎn)事故?？刂乒艿勒駝邮紫葢獪蚀_掌握管道系統(tǒng)的氣流脈動情況，尤其是管道系統(tǒng)中關鍵節(jié)點如氣缸連接法蘭、彎頭、閥門等處的壓力脈動幅值。分析氣流脈動的方法主要有兩種，一種是平面波動理論，另一種是一維非定常可壓縮流體流動理論[3]。平面波動理論是研究氣流脈

3、動現(xiàn)象時最早發(fā)展起來的理論，這種方法做了幾個方面的重要假定：壓力脈動值相對管道氣流的平均壓力值很小[45]氣體遵守理想氣體的性質(zhì)認為管道中氣體流速相對聲速小到可以忽略不計的程度[6]。因此波動理論建立氣體脈動的控制方程時能做線性化處理，最終得出能求解析解的波動方程。在符合假定的條件下，波動理論能預測出符合實際的壓力脈動幅值。波動理論作出的假定在數(shù)學模型上就決定了它不能完整描述管道內(nèi)壓力波和非穩(wěn)態(tài)流動耦合的復雜現(xiàn)象。一般認為波動理論對氣體

4、與管道壁面摩擦考慮不足，導致其在脈動幅值較大尤其共振狀態(tài)下計算值偏大。此外波動理論在實際求解過程中將整個管道元件中的氣流參數(shù)平均值取作氣流參數(shù)值進行計算，這就決定了管道內(nèi)氣流參數(shù)值是常數(shù)而不是隨實際狀態(tài)變化的值，這降低了波動理論的模擬壓力脈動的準確度。非定?？蓧嚎s流動理論在建立描述管道內(nèi)氣流脈動現(xiàn)象的控制方程時，沒有忽略非線性因素，綜合考慮了氣體與管道壁面的摩擦問題，實際氣體性質(zhì)的問題[2]。而且多認為非定?？蓧嚎s流動理論在摩擦問題上處

5、理的更符合實際，因而在脈動幅值較大的情況下計算值比波動理論更符合實測值。但是摩擦阻尼能否顯著抑制脈動幅值還有待進一步驗證，其它影響氣流脈動的因素還有哪些哪一個因素起了重要作用如何定量分析它們的影響這些問題目前研究的還不夠。此外，用非定常方法建立的雙曲型控制方程組需要用數(shù)值方法求解，雙曲型方程應用在壓力脈動上會有哪些特性，數(shù)值求解的特點、如何獲得較準確的收斂解，這些問題都有待進一步分析。1.2氣流脈動研究現(xiàn)狀氣流脈動的研究是隨壓縮機工業(yè)的

6、建立開始的，工程師很早就認識到這種現(xiàn)象對壓縮機管道系統(tǒng)的重要影響，美國西南研究院自20世紀50年代已經(jīng)展開氣流脈動的理論和實驗研究[7]。1962年，Kinsl和Kfrey[8]最早提出經(jīng)典的平面波動理論，至今仍是氣流脈勻熵特征線法處理容器、突變截面、匯流點等元件聯(lián)接處，使數(shù)值計算得到簡化[3435]在理論分析的基礎上進行了大量實驗研究[36]在深入理論研究和大量工程實踐的基礎上總結(jié)出壓力脈動的控制措施[3738]，他們的研究成果集中體

7、現(xiàn)在一本關于活塞式壓縮機管道氣流脈動與振動的專著上[39]。近年來，國內(nèi)學者進一步取得進展：2001年，西安交通大學的彭學院教授基于平面波動理論開發(fā)出氣流脈動分析軟件，該軟件能夠計算任意復雜管系的氣柱固有頻率及各節(jié)點處壓力脈動幅值，為快速分析壓縮機管道系統(tǒng)聲學特性提供了有效工具2003年，李志博通過大量的實驗驗證了該軟件計算結(jié)果的可靠性[40]。近年來氣流脈動的研究趨勢表現(xiàn)在：以美國西南研究院為代表側(cè)重使用納維斯托克斯方程一維流動模型建

8、立描述管道內(nèi)非穩(wěn)態(tài)氣流流動的控制方程，引入因粘性產(chǎn)生的氣體與管道壁面的摩擦力，改變了以往一維非定常氣流方程中摩擦力靠經(jīng)驗公式計算的方式[21]，方程同樣需要有限元或有限差分的數(shù)值方法求解[41]，并將這種數(shù)值解法定義為時域分析法，將波動理論的解析解法定義為頻域分析法，認為時域法比頻域法作的假設更少，計算結(jié)果更符合實際，借助時域法還可以計算出因壓力脈動造成的動態(tài)壓力損失，進而幫助設計者改進壓縮機整體性能。因此認為時域法更有價值，投入了大量

9、精力研究它的計算特性，探討提高計算精度的方法。另外也有研究人員[4243]使用CFD軟件運用三維流動理論模擬管道內(nèi)氣體的壓力脈動，一般認為緩沖罐、氣液分離器等三維結(jié)構(gòu)特征明顯的元件以及壓縮機吸、排氣口等復雜流道處三維方法的結(jié)果更準確，西安交通大學的徐斌[44]用Fluent軟件在大脈動情況下獲得了比一維方法更準確的結(jié)果，但也指出一維流動理論在小脈動時精度仍然很高。以上研究現(xiàn)狀的分析表明，基于一維流動的理論仍是分析壓縮機管道氣流脈動的有效

10、方法，一維非定常流動理論是較為完善的數(shù)學模型，隨著計算科學的進步，用數(shù)值解法精確模擬管道內(nèi)流體運動越來越重要，但其計算特性如何如何準確、可靠的得出結(jié)果怎樣用數(shù)值方法定量分析影響氣流脈動的各種因素摩擦阻尼是否有顯著的影響如何分析非定常方法和波動理論計算差異。這些問題有待進一步探索，本文將在這些方面進行研究。1.3本文所做工作為了深入研究活塞式壓縮機管道內(nèi)氣流脈動的機理，探索更加精確的模擬方法，在前人研究的基礎上進一步認識氣流脈動的內(nèi)在規(guī)律

11、，本文擬做以下幾個方面的研究：1)基于一維非定?？蓧嚎s流動理論建立描述活塞式壓縮機管道內(nèi)氣流脈動現(xiàn)象的控制方程組，分析差分方程的穩(wěn)定性條件，在用特征線法建立差分格式的過程中分析穩(wěn)定性條件的物理意義。2)編寫一維非定常方法數(shù)值計算程序，通過大量的計算分析雙曲型方程數(shù)值計算特性和程序的準確度、可靠性。討論影響計算結(jié)果準確度的主要因素，尤其是網(wǎng)格長度的影響。3)搭建專門研究活塞式壓縮機管道內(nèi)氣流脈動的實驗臺，測量管道不同位置處的壓力脈動值。通