緩沖器內(nèi)部流場(chǎng)模擬分析

趙敬群，劉 旭，余 波

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110869）

1 引言

在石油化工領(lǐng)域，往復(fù)壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用，由于自身工作原理及結(jié)構(gòu)限制，其最大特點(diǎn)就是在氣缸進(jìn)出口處具有氣體脈動(dòng)，為減少氣體脈動(dòng)對(duì)管路及后段工藝設(shè)備的影響，通常情況下，在氣缸出口處設(shè)置一種壓力容器用于抑制氣體脈動(dòng)，此容器稱為緩沖器，主要工作原理為增加氣體的流動(dòng)空間，降低流速，從而減弱氣體的脈動(dòng)作用。通常情況下結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，為一空心的罐子，依據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)要求，具有一定的緩沖容積，即可以達(dá)到理想的氣體脈動(dòng)抑制效果，本文針對(duì)緩沖器內(nèi)部氣體的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，以進(jìn)一步總結(jié)掌握緩沖器的緩沖效果。

Fluent商用程序可以模擬許多的工程實(shí)際問(wèn)題，包括可壓縮、不可壓縮流動(dòng)，牛頓流體、非牛頓流體，單相、多相流動(dòng)，有旋、無(wú)旋流動(dòng)，慣性坐標(biāo)系、非慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)，有化學(xué)反應(yīng)、無(wú)化學(xué)反應(yīng)的流動(dòng)問(wèn)題等。其生成無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的程序把計(jì)算復(fù)雜幾何條件下的流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)問(wèn)題變的簡(jiǎn)單。同時(shí)，軟件還提供了許多的湍流模型、壁面處理及燃燒、傳熱模型供針對(duì)特定問(wèn)題選擇。用戶自定義函數(shù)也為改進(jìn)和完善模型，處理個(gè)性化問(wèn)題和給出更合理的邊界條件提供了可能。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)及建模

本文主要模擬的是某往復(fù)壓縮機(jī)的排氣緩沖罐，工作壓力16.8 MPa(G)，筒體內(nèi)徑Φ=700 mm，進(jìn)氣口內(nèi)徑Dinlet=132 mm，出氣口內(nèi)徑Doutlet=86 mm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。選取內(nèi)部氣體流動(dòng)的空腔部分建模，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖1

圖2

3 流場(chǎng)分析

3.1 確定雷諾數(shù)

在工作壓力16.8（G） MPa，工作溫度116℃狀態(tài)下，純氫介質(zhì)密度大概為10.69 kg/m3，入口平均氣速10 m/s，筒體內(nèi)部氣體流速大概為1.89 m/s，查表得粘度為 11.52 μPa·s，緩沖器內(nèi)部Re=ρvL/μ=1.23×106＞8000；確定為湍流。

圖3

圖4

圖5

表1 氫氣在不同壓力下的粘度

3.2 參數(shù)設(shè)置

選定非定常流體，指定介質(zhì)組分為H2，并且選用Standard k-ε進(jìn)行模擬，默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。

施加邊界條件：

根據(jù)inlet入口脈動(dòng)特點(diǎn)，編寫正弦速度入口的UDF：

圖6

出口采用outflow邊界條件。

默認(rèn)松弛因子。

運(yùn)行分析后，部分時(shí)間節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)圖如圖3～6所示。

3.3 后處理界面

工藝氣體在緩沖器內(nèi)部瞬態(tài)的流動(dòng)軌跡及速度矢量圖如圖7～8。

緩沖器進(jìn)出口各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)曲線如圖9～14所示。

4 運(yùn)算結(jié)果分析

對(duì)比緩沖器進(jìn)出口狀態(tài)曲線，表明工藝氣體經(jīng)過(guò)緩沖器后，壓力、速度以及動(dòng)能都有所改變：

壓力——振幅未有所改變，但是總體頻率發(fā)生變化，明顯增加；

速度——緩沖器入口條件設(shè)置的是0～20 m/s的正弦速度的入口邊界條件，而狀態(tài)曲線顯示的振幅為0～18 m/s，部分時(shí)間點(diǎn)趨近與40 m/s；出口速度，由于流通面積減小，所以速度值提升，但是總體平均速度比較穩(wěn)定；

動(dòng)能——出口相對(duì)于入口，能量振幅變化不大，但是頻率明顯增加。

參考ISO13707-2000第12章中，近似設(shè)計(jì)方法2、3設(shè)計(jì)公式

圖7 瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖8 瞬態(tài)速度矢量圖

圖9 入口壓力

圖10 出口壓力

圖11 入口速度

圖12 出口速度

圖13 入口動(dòng)能

圖14 出口動(dòng)能

式中po——管道中的平均壓力，bar

ID——緩沖器后換到中的管子內(nèi)徑，mm

f——脈動(dòng)頻率，Hz

同時(shí)根據(jù)牛頓定律的推導(dǎo)公式

可以看出，脈動(dòng)頻率的提高，對(duì)振動(dòng)的影響將以平方數(shù)量級(jí)減弱。進(jìn)而可以總結(jié)推論出：工藝氣體經(jīng)過(guò)緩沖器后頻率的明顯增加，相應(yīng)的管道中的振動(dòng)影響會(huì)大大降低，也就是很大程度上保證緩沖器后續(xù)工藝管線和設(shè)備的安全運(yùn)行。

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)工藝氣體流場(chǎng)本身的模擬分析，直觀的顯示了氣體狀態(tài)的變化，并反映了工藝氣體在緩沖器內(nèi)部的不同位置的各項(xiàng)參數(shù)；

為采用流固耦合方法模擬分析緩沖器的振動(dòng)，進(jìn)而降低緩沖器的質(zhì)量和成本問(wèn)題奠定了部分基礎(chǔ)；模擬分析數(shù)據(jù)與實(shí)際情況還有一定差距，在后續(xù)工作研究中有待進(jìn)一步進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性的總結(jié)與提高。

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