活塞壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1、活塞壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證活塞壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1、緒論1.1研究背景及意義活塞式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)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(shè)備，在一些工藝流程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這些設(shè)備能否正常運(yùn)行直接關(guān)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(dòng)，而管道振動(dòng)的最大誘因就是氣流脈動(dòng)。由于活塞式壓縮機(jī)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(dòng)，這就是氣流脈動(dòng)[12]活塞

2、式壓縮機(jī)管道系統(tǒng)都存在一定程度的氣流脈動(dòng)，這種脈動(dòng)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(jìn)而引發(fā)振動(dòng)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)劇烈的管道振動(dòng)導(dǎo)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?dòng)首先應(yīng)準(zhǔn)確掌握管道系統(tǒng)的氣流脈動(dòng)情況，尤其是管道系統(tǒng)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)如氣缸連接法蘭、彎頭、閥門等處的壓力脈動(dòng)幅值。分析氣流脈動(dòng)的方法主要有兩種，一種是平面波動(dòng)理論，另一種是一維非定?？蓧嚎s流體流動(dòng)理論[3]。平面波動(dòng)理論是研究氣流脈

3、動(dòng)現(xiàn)象時(shí)最早發(fā)展起來的理論，這種方法做了幾個(gè)方面的重要假定：壓力脈動(dòng)值相對(duì)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(rèn)為管道中氣體流速相對(duì)聲速小到可以忽略不計(jì)的程度[6]。因此波動(dòng)理論建立氣體脈動(dòng)的控制方程時(shí)能做線性化處理，最終得出能求解析解的波動(dòng)方程。在符合假定的條件下，波動(dòng)理論能預(yù)測(cè)出符合實(shí)際的壓力脈動(dòng)幅值。波動(dòng)理論作出的假定在數(shù)學(xué)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(dòng)耦合的復(fù)雜現(xiàn)象。一般認(rèn)為波動(dòng)理論對(duì)氣體

4、與管道壁面摩擦考慮不足，導(dǎo)致其在脈動(dòng)幅值較大尤其共振狀態(tài)下計(jì)算值偏大。此外波動(dòng)理論在實(shí)際求解過程中將整個(gè)管道元件中的氣流參數(shù)平均值取作氣流參數(shù)值進(jìn)行計(jì)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(shí)際狀態(tài)變化的值，這降低了波動(dòng)理論的模擬壓力脈動(dòng)的準(zhǔn)確度。非定常可壓縮流動(dòng)理論在建立描述管道內(nèi)氣流脈動(dòng)現(xiàn)象的控制方程時(shí)，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(shí)際氣體性質(zhì)的問題[2]。而且多認(rèn)為非定?？蓧嚎s流動(dòng)理論在摩擦問題上處

5、理的更符合實(shí)際，因而在脈動(dòng)幅值較大的情況下計(jì)算值比波動(dòng)理論更符合實(shí)測(cè)值。但是摩擦阻尼能否顯著抑制脈動(dòng)幅值還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，其它影響氣流脈動(dòng)的因素還有哪些哪一個(gè)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(yīng)用在壓力脈動(dòng)上會(huì)有哪些特性，數(shù)值求解的特點(diǎn)、如何獲得較準(zhǔn)確的收斂解，這些問題都有待進(jìn)一步分析。1.2氣流脈動(dòng)研究現(xiàn)狀氣流脈動(dòng)的研究是隨壓縮機(jī)工業(yè)的

6、建立開始的，工程師很早就認(rèn)識(shí)到這種現(xiàn)象對(duì)壓縮機(jī)管道系統(tǒng)的重要影響，美國西南研究院自20世紀(jì)50年代已經(jīng)展開氣流脈動(dòng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究[7]。1962年，Kinsl和Kfrey[8]最早提出經(jīng)典的平面波動(dòng)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(diǎn)等元件聯(lián)接處，使數(shù)值計(jì)算得到簡(jiǎn)化[3435]在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究[36]在深入理論研究和大量工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上總結(jié)出壓力脈動(dòng)的控制措施[3738]，他們的研究成果集中體

7、現(xiàn)在一本關(guān)于活塞式壓縮機(jī)管道氣流脈動(dòng)與振動(dòng)的專著上[39]。近年來，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)一步取得進(jìn)展：2001年，西安交通大學(xué)的彭學(xué)院教授基于平面波動(dòng)理論開發(fā)出氣流脈動(dòng)分析軟件，該軟件能夠計(jì)算任意復(fù)雜管系的氣柱固有頻率及各節(jié)點(diǎn)處壓力脈動(dòng)幅值，為快速分析壓縮機(jī)管道系統(tǒng)聲學(xué)特性提供了有效工具2003年，李志博通過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該軟件計(jì)算結(jié)果的可靠性[40]。近年來氣流脈動(dòng)的研究趨勢(shì)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(dòng)模型建

8、立描述管道內(nèi)非穩(wěn)態(tài)氣流流動(dòng)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(yàn)公式計(jì)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(shí)域分析法，將波動(dòng)理論的解析解法定義為頻域分析法，認(rèn)為時(shí)域法比頻域法作的假設(shè)更少，計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際，借助時(shí)域法還可以計(jì)算出因壓力脈動(dòng)造成的動(dòng)態(tài)壓力損失，進(jìn)而幫助設(shè)計(jì)者改進(jìn)壓縮機(jī)整體性能。因此認(rèn)為時(shí)域法更有價(jià)值，投入了大量

9、精力研究它的計(jì)算特性，探討提高計(jì)算精度的方法。另外也有研究人員[4243]使用CFD軟件運(yùn)用三維流動(dòng)理論模擬管道內(nèi)氣體的壓力脈動(dòng)，一般認(rèn)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(jī)吸、排氣口等復(fù)雜流道處三維方法的結(jié)果更準(zhǔn)確，西安交通大學(xué)的徐斌[44]用Fluent軟件在大脈動(dòng)情況下獲得了比一維方法更準(zhǔn)確的結(jié)果，但也指出一維流動(dòng)理論在小脈動(dòng)時(shí)精度仍然很高。以上研究現(xiàn)狀的分析表明，基于一維流動(dòng)的理論仍是分析壓縮機(jī)管道氣流脈動(dòng)的有效

10、方法，一維非定常流動(dòng)理論是較為完善的數(shù)學(xué)模型，隨著計(jì)算科學(xué)的進(jìn)步，用數(shù)值解法精確模擬管道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)越來越重要，但其計(jì)算特性如何如何準(zhǔn)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(dòng)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(dòng)理論計(jì)算差異。這些問題有待進(jìn)一步探索，本文將在這些方面進(jìn)行研究。1.3本文所做工作為了深入研究活塞式壓縮機(jī)管道內(nèi)氣流脈動(dòng)的機(jī)理，探索更加精確的模擬方法，在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步認(rèn)識(shí)氣流脈動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律

11、，本文擬做以下幾個(gè)方面的研究：1)基于一維非定?？蓧嚎s流動(dòng)理論建立描述活塞式壓縮機(jī)管道內(nèi)氣流脈動(dòng)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(jì)算程序，通過大量的計(jì)算分析雙曲型方程數(shù)值計(jì)算特性和程序的準(zhǔn)確度、可靠性。討論影響計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度的主要因素，尤其是網(wǎng)格長(zhǎng)度的影響。3)搭建專門研究活塞式壓縮機(jī)管道內(nèi)氣流脈動(dòng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)量管道不同位置處的壓力脈動(dòng)值。通