暫沖氣源的容器壓力變化與管道非定常流動(dòng)計(jì)算

1、第11期2015年11月機(jī)械設(shè)計(jì)與制造MachineryDesign&Manufacture67暫沖氣源的容器壓力變化與管道非定常流動(dòng)計(jì)算趙運(yùn)翔，郭良斌(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430081)摘要：研究了氣體軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)暫沖氣源容器的壓力變化和管道內(nèi)非定常流動(dòng)的特性。利用特征線法對(duì)一階偏微分方程進(jìn)行求解。將管路末端閥門簡(jiǎn)化為固定節(jié)流口，分析了不同大小節(jié)流1：2對(duì)管道流動(dòng)的影響。采用FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)計(jì)算程序，結(jié)果表明：管道

2、內(nèi)氣體流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要008s，暫沖氣源在工作過(guò)程中容器的壓強(qiáng)會(huì)減小，由lObar減小到5bar需要53s，此時(shí)間長(zhǎng)度滿足了測(cè)試所需的時(shí)間要求。節(jié)流口中值越大，氣體流速越大，管道內(nèi)氣體流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間越短。特征線法能滿足計(jì)算精度和速度的要求，為實(shí)驗(yàn)臺(tái)管道系統(tǒng)的研究提供了一種可能的方法。關(guān)鍵詞：氣體軸承；暫沖氣源；管道；非定常流動(dòng)；特征線法中圖分類號(hào)：TH16；TH138；TH47文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001—3997(201

3、5)110067—04NonSteadyFlowCalculationofPipelineandPressureChangeofContainerofTemporaryImpulseSourceTestBedZHAOYun—xiang，GUOLiang—bin(MachineryandAutomationCollege，WuhanUniversityofScienceandTechnology，HubeiWuhan430081，Chin

4、a)Abstract：Tostudythegasflowcharacteristicsofpipelineandpressurechangeofcontaineroftemporaryimpulsesourcetest—bedofgasbearing，thecharacteristicsmethodisusedtosolvethefirstorderpartialdifferentialequationThevalveinstalled

5、intheendofthepipelineissimplifiedasfixedorificehanalyzestheimpactonthepipelineflowofd~erentsizeorificeandwritestheprogralninFORTRANlanguageTheresultsshowthatittakes008secondsteachsteadyflowofpipelineThepressureofcontaine

6、rwillreduceIttakes53secondswiththepressureofcontainerreducingfiom10bartO5barThelengthoftimesatisfiestherequirementoftestingThegasvelocityincreasegraduallywiththevalueof中increasesIttakeslesstimeteachsteadyflowwhenthevalue

7、of中increasesCharacteristicsmethodcansat@therequirementsofaccuracyandcomputationspeedItprovidesapossibleapproachforthefurtherstudyandoptimizationKeyWords：GasBearing；TemporaryImpulseSource；Pipeline；NonSteadyFlow；MethodofCh

8、aracteristics1引言氣體軸承依靠幾微米的氣膜間隙對(duì)機(jī)器運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行支撐。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的氣體軸承供氣壓力小，耗氣量小，承載能力低。隨著科技的不斷發(fā)展和工業(yè)需求的不斷提高，需要開(kāi)發(fā)供氣壓力高，氣體消耗量大的重載氣體軸承以滿足生產(chǎn)需求_l_。為了研究稀疏波與超音速邊界層相互作用下圓盤(pán)氣體軸承的特陛，需要設(shè)計(jì)滿足實(shí)驗(yàn)要求的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。用于大流量氣體軸承研究的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，氣體消耗量大，擬采用暫沖氣源供氣，其工作狀態(tài)在某種程度上類似于壓力容器放氣的

9、基本過(guò)程，需要對(duì)正常測(cè)試之前的非定常流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管道內(nèi)非定常流動(dòng)特性已經(jīng)有了較多的研究。文獻(xiàn)利用特征線法對(duì)天然氣管道進(jìn)行了分析研究。文獻(xiàn)日研究了漸縮管道內(nèi)的流動(dòng)特性。文獻(xiàn)吩析了氣缸放氣過(guò)程中的結(jié)露問(wèn)題。文獻(xiàn)研究了氣缸內(nèi)氣體狀態(tài)變化。因容器、管道、控制閥和實(shí)驗(yàn)軸承整個(gè)系統(tǒng)的邊界條件較為復(fù)雜，目前很少有人對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行研究。研究了系統(tǒng)前端的非定常流動(dòng)特性，分析了容器壓力、管道壓力、管道出口速度以及閥門開(kāi)度對(duì)管道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響

10、，為研究整個(gè)系統(tǒng)奠定了一定的理論基礎(chǔ)。2簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型管道末端閥門突然開(kāi)啟，氣體由一個(gè)大的容器流經(jīng)管道，通過(guò)末端閥門，排人大氣。在系統(tǒng)工作過(guò)程中，傳熱系數(shù)對(duì)壓力與流量影響較小，該計(jì)算只考慮系統(tǒng)壓力和流量，可以按絕熱過(guò)程計(jì)算。將實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作過(guò)程抽象為一個(gè)帶一定長(zhǎng)度管道的固定容器放氣過(guò)程，管的末端閥門簡(jiǎn)化為固定節(jié)流口模型，如圖1所示。來(lái)稿日期：2015—04—03基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51475341)作者簡(jiǎn)介：趙運(yùn)翔，(1989一)，

11、男，宜昌人，碩士研究生，主要研究方向：流場(chǎng)計(jì)算；郭良斌，(1973一)，男，武漢人，博士研究生，教授，主要研究方向：氣體潤(rùn)滑軸承No11NOV2015機(jī)械設(shè)計(jì)與制造(等)哮Px05krCs(18，式中：％—參考音速(m，s)。容器內(nèi)氣體質(zhì)量為：()=()。(19)式中：()——個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)的容器質(zhì)量。容器內(nèi)氣體壓力變化率為：?jiǎn)我粻?zhēng)20)y容器內(nèi)壓力為：(pc)=(pc)(21)式中：器滯止音速c—容器體積(ms)；(pc)。一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)

12、的容器壓強(qiáng)。狀態(tài)方程：pV=mRT(22)式中：器溫度(K)；器氣體質(zhì)量()。將已求出的P，m代人式(22)，可以求出容器內(nèi)氣體的溫度變化。4程序設(shè)計(jì)采樣FORTRAN95編寫(xiě)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。對(duì)包含容器、管道以及閥的前端系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。程序可以計(jì)算出容器內(nèi)狀態(tài)參數(shù)，管道的流動(dòng)狀態(tài)。計(jì)算流程圖，如圖2所示。式(11)計(jì)算△zl式(9)、式(1。)計(jì)算A一和Aul式(12)計(jì)算人口端邊界上迭代方法求解式(16)、式(17)出口端邊界l式(1

13、8)計(jì)算dm／dt式(19)、式(21)計(jì)算rn~pN圖2計(jì)算流程圖Fig2FlowChartofCalculation5計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)與初始數(shù)據(jù)，如表1所示。表1計(jì)算參數(shù)Tab1CalcuiationParameters參數(shù)參數(shù)值管長(zhǎng)(m)管徑m)參考?jí)簭?qiáng)(b)初始管溫(K)容器壓力(b)容器體積m)面積比計(jì)算結(jié)果，如圖3一圖6所示。由圖3可知，容器內(nèi)壓力逐漸降低。容器內(nèi)壓力從lObar降到5bar時(shí)，需要53s時(shí)間。j幽0