容器放氣過程的數(shù)值模擬及熱力學模型研究.pdf

1、容器放出法是一種測試氣動元件流量特性的方法，因其簡便、節(jié)能、高效，故具有很高的應(yīng)用價值。本課題基于國際合作研究項目，對放出法進行了基礎(chǔ)理論和實驗研究，其目的在于給國際標準組織提交一種通用的測試氣動元件流量特性的新方法。本文采用了有限體積數(shù)值模擬、試驗研究和理論分析相結(jié)合的方法，對容器放氣過程的速度場和溫度場的分布及變化規(guī)律、等溫容器的特性及等溫容器放出法、空容器放氣過程的多變指數(shù)、放氣過程的熱力學模型及其應(yīng)用進行了系統(tǒng)的研究，目的在于全

2、面、直觀地認識放氣過程，提高放出法的測試精度，研究內(nèi)容具有重要的理論價值和實際意義。 文中首先建立了容器放氣過程的數(shù)學模型，通過將等溫容器內(nèi)的填充物簡化為一定孔隙率的多孔介質(zhì)，利用Fluent軟件對空容器和等溫容器的放氣過程進行數(shù)值仿真，得到了放氣過程中速度場分布、溫度場分布以及它們的變化規(guī)律。 模擬結(jié)果表明：(1)速度場主要位于放氣口附近很小的區(qū)域，容器內(nèi)大部分區(qū)域在放氣過程中速度接近于0；(2)容器內(nèi)的溫度場的分布和

3、容器形狀有關(guān)，最低溫度位于容器中心，并且溫度梯度隨放氣過程不斷加大；(3)等溫容器放氣過程的溫度變化范圍要比空容器小約20倍，非常接近于等溫過程。最后，通過實驗對仿真結(jié)果進行驗證，結(jié)果表明，容器內(nèi)壓力曲線的仿真結(jié)果和實驗結(jié)果非常吻合，容器內(nèi)空氣的平均溫度的仿真結(jié)果和實驗結(jié)果盡管有一定誤差，但仍能正確反映溫度變化的趨勢和規(guī)律。 其次，等溫容器的等溫特性直接決定其使用性能。因此，本文對不同條件下等溫容器放氣過程的溫度變化規(guī)律進行了全

4、面的研究。實驗結(jié)果表明，容器內(nèi)填充細金屬絲可以顯著增強熱交換，使放氣過程的溫降很小，并可近似為等溫過程。但放氣過程的溫降受到很多因素的影響，在放氣初始壓力和放氣口固定的條件下：填充密度一定時，金屬絲的線徑越細等溫效果越好；填充物只要是金屬絲，材質(zhì)影響不大；金屬絲的填充密度越大，等溫效果越好。另外，在充氣壓力和填充密度一定的情況下，放氣速度越快，等溫性能越差。通過實驗可知：在放氣初始壓力為700kPa、50μm銅絲填充密度0.3kg/L的

5、條件下，要形成等溫容器，則容器的容積(L)和放氣口的聲速流導(dǎo)(×10<'-8>m<'3>/(s·Pa))的比值必須大于等于6。研究表明等溫容器放出法能夠用來測量放氣電磁閥的聲速流導(dǎo)和臨界壓力比，盡管忽略溫度變化會引起一定的誤差，但測試結(jié)果說明采用全局優(yōu)化的方法，仍舊能夠得到比較準確的結(jié)果。 再次，文中還通過“停止法”對空容器放氣過程聲速段和整個放氣過程的多變指數(shù)進行了研究。結(jié)果表明，容器的放氣過程是個多變指數(shù)不斷變化的過程，多變

6、指數(shù)從1.4開始逐漸減小并趨近于1，放氣過程中有熱交換的存在并隨著放氣過程不斷加強。為了提高定容積放出法的測試精度，把多變指數(shù)應(yīng)用于定容積放出法測試聲速流導(dǎo)的數(shù)據(jù)處理中，提出了部分多變指數(shù)法和完全多變指數(shù)法，結(jié)果證明：完全多變指數(shù)法所得的聲速流導(dǎo)精確度非常高，且穩(wěn)定性也很好，隨測試時間點的變化幅度小于1.2％。 文中還建立了集總參數(shù)法的空容器放氣過程的熱力學模型，針對模型中的難以測定的換熱系數(shù)，提出了兩種方法：固定換熱系數(shù)模型和

7、基于大空間自然對流換熱模型。對于固定換熱模型，根據(jù)停止放氣后的壓力曲線得到此過程的換熱系數(shù)，并把這個換熱系數(shù)作為放氣過程中的換熱系數(shù)，基于此模型的放氣過程仿真結(jié)果要比絕熱模型的仿真結(jié)果接近試驗結(jié)果很多?；诖罂臻g自然對流的換熱模型中的熱交換系數(shù)是根據(jù)自然對流換熱關(guān)聯(lián)式得到的，它隨著放氣過程的變化而變化，根據(jù)這個模型仿真得到壓力曲線和溫度曲線和試驗結(jié)果都很一致，說明該模型能夠真實反映放氣過程的熱交換。 論文最后把基于大空間自然對流

8、換熱的放氣熱力學模型和放氣壓力曲線相結(jié)合，由放氣的初始狀態(tài)遞推得到放氣過程中容器內(nèi)空氣的平均溫度和放氣過程的多變指數(shù)，計算結(jié)果和實驗結(jié)果非常一致，說明此方法可以替代“停止法”來確定放氣過程的平均溫度?；诜艢鉄崃W模型，根據(jù)放氣壓力曲線，通過分段函數(shù)優(yōu)化的方法來辨識放氣閥的聲速流導(dǎo)和臨界壓力比，得到的結(jié)果和ISO6358所測的結(jié)果基本相同。研究表明，基于模型辨識的方法要比ISO6358簡單、節(jié)能，且精度不低于ISO6358標準中A級精度