地面供配氣系統(tǒng)中孔板節(jié)流特性分析

王營軍，陳 山，全承哲，白 華

地面供配氣系統(tǒng)中孔板節(jié)流特性分析

王營軍，陳 山，全承哲，白 華

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

孔板節(jié)流是簡單可靠、應(yīng)用廣泛的地面供配氣系統(tǒng)節(jié)流方式。分析了孔板節(jié)流過程中的流動(dòng)特性。聲速前充氣階段為系統(tǒng)中閥門開啟至穩(wěn)定聲速流動(dòng)階段，持續(xù)時(shí)間較短。當(dāng)孔板上游壓力達(dá)到一定值后，充氣過程存在聲速充氣現(xiàn)象，在工質(zhì)確定的前提下，該過程的充氣流量只和孔徑大小成正比，該階段為聲速充氣階段。隨著充氣量的增加，背壓提升導(dǎo)致孔板前后的壓差逐漸減小，聲速后充氣階段質(zhì)量流量隨著前后壓差的縮小而逐漸減小。對(duì)地面供配氣系統(tǒng)中孔板節(jié)流方案的設(shè)計(jì)有工程指導(dǎo)意義。

供配氣系統(tǒng)；孔板節(jié)流；數(shù)值仿真；充氣過程

0 引 言

孔板節(jié)流常被用于流體管路輸送系統(tǒng)中，盡管在工業(yè)生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用[1~3]，但是其設(shè)計(jì)和制作所需的各個(gè)參數(shù)尚處于靠經(jīng)驗(yàn)取值的階段。在孔板的流量計(jì)算中，馮建生[4]通過對(duì)孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)、測量原理、公式來源的分析，找到合理準(zhǔn)確的公式，解決工作中遇到的問題，方便了工程的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)于孔板上下游的氣流脈動(dòng)問題也有研究[5,6]，白文杰[7]在高壓管路中單獨(dú)使用孔板來消減脈動(dòng)效果，通過添加適當(dāng)尺寸的孔板起到一定的脈動(dòng)消減效果，且此效果隨孔徑比減小而逐漸增強(qiáng)，此外需要考慮孔板的阻力作用及后續(xù)工藝條件等因素。吳石[8]研究了蝶閥、閘閥和球閥在開度減小的過程中流場的變化和噪聲問題，流體在蝶閥背面、球閥閥門內(nèi)外分別形成兩個(gè)方向相反的漩渦，閘閥的漩渦出現(xiàn)在擋板與管道的避角處，并且漩渦在閥門下游逐漸消失，并通過試驗(yàn)表明閥門下游的流噪聲大于閥門上游的流噪聲，渦聲是閥門噪聲的主要來源。

孔板下游回流區(qū)大小直接影響壓力傳感器的安裝，具體的影響區(qū)域可以通過數(shù)值仿真進(jìn)行分析[9,10]。文獻(xiàn)[11]運(yùn)用Fluent軟件分析了管道流動(dòng)中孔板消減脈動(dòng)作用，并采用標(biāo)準(zhǔn)的雙方程湍流模型較為準(zhǔn)確地計(jì)算了管道系統(tǒng)的流場特性。艾萬政[12]研究表明在雷諾數(shù)和孔板厚度不變的情況下，回流區(qū)長度隨孔徑比的減小而增大；在雷諾數(shù)和孔板比不變的情況下，回流區(qū)長度隨孔板厚度的增加而減??；當(dāng)雷諾數(shù)增加至一定值后，回流區(qū)長度幾乎不隨雷諾數(shù)的變化而變化。

綜上所述，關(guān)于孔板節(jié)流的相關(guān)研究主要集中在孔板的尺寸和上下游的脈動(dòng)上，針對(duì)孔板充氣的整個(gè)過程和上下游流場的研究較少。本文主要對(duì)采用孔板節(jié)流的供配氣系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并驗(yàn)證不同的孔板在充氣過程中的節(jié)流特性，以此為基礎(chǔ)詳細(xì)分析了充氣過程中孔板上下游流場特性的差異。

1 供配氣系統(tǒng)數(shù)值模型介紹

在供配氣系統(tǒng)中如果使用質(zhì)量流量控制器進(jìn)行充氣，根據(jù)氣瓶的容積提前計(jì)算出要充氣的質(zhì)量，然后分階段完成充氣。剛開始設(shè)定較大的流量充氣一段時(shí)間，在即將結(jié)束充氣時(shí)，改用小流量進(jìn)行充氣，導(dǎo)致在充氣即將結(jié)束時(shí)的余速較大，嚴(yán)重影響增壓后效問題。

由于地面供配氣系統(tǒng)在空間布局上需要考慮結(jié)構(gòu)緊湊，而質(zhì)量流量控制器占用空間大，還需要定期進(jìn)行校核?？装逑啾扔谫|(zhì)量流量控制器的優(yōu)點(diǎn)包括：方便拆卸和校核、便于維護(hù)。因此選擇孔板來代替質(zhì)量控制器控制流量完成充氣。

圖1為帶有孔板的管路系統(tǒng)AMESim模型，在充氣過程中分兩個(gè)階段進(jìn)行充氣，并對(duì)氣瓶的瞬時(shí)壓力進(jìn)行監(jiān)測并加以判斷，第1次判斷是為了控制對(duì)氣瓶的快速充氣和緩慢充氣，并在充氣過程中對(duì)測量值進(jìn)行第2次判斷，根據(jù)任務(wù)要求來確定充氣是否完成。

圖1 供配氣系統(tǒng)AMESim模型示意圖

為了驗(yàn)證系統(tǒng)加裝節(jié)流孔板后的可靠性，對(duì)該地面供氣系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，按照程序分別監(jiān)測了快速充氣和緩慢充氣過程。在節(jié)流孔板幾何一定的條件下，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多次測量，其中快速充氣過程持續(xù)了 31~ 35 s，緩慢充氣過程持續(xù)了58~62 s。使用圖1的計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)快速充氣和緩慢充氣過程分別為34 s和 60 s，計(jì)算結(jié)果落在了試驗(yàn)測量的區(qū)間內(nèi)，該計(jì)算模型可以較好地模擬帶有節(jié)流孔板的管路充氣系統(tǒng)。

2 孔板節(jié)流特性

2.1 充氣過程壓力變化區(qū)間分析

在整個(gè)充氣過程中流場參數(shù)的變化主要受到前后壓差的影響。隨著充氣量的增加，管路中壓差變小，管路中流量逐漸減小。圖2為整個(gè)充氣過程中氣源壓力和容腔壓力及其流量的變化曲線，設(shè)置一定的閾值將整個(gè)充氣過程分為兩個(gè)階段進(jìn)行充氣。從流量變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，在開始充氣100 ms的時(shí)間內(nèi)，管路中流量迅速增加，該階段持續(xù)時(shí)間極短，由于該供配氣系統(tǒng)管路的空間較小，流體很快充滿整個(gè)系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)充氣過程影響較小，所以在下面分析中可以忽略該階段。然后進(jìn)入穩(wěn)定的充氣階段，該階段容腔內(nèi)的壓力線性增加，流量保持不變。由壓力變化曲線可以判斷，孔板前后壓差的比值小于臨界壓力比0.528，所以管路中孔板部分一直處于聲速狀態(tài)，在該階段容腔中的壓力和流量呈線性增加，而且流過孔板的流量只和孔板的大小有關(guān)。在容腔中的質(zhì)量接近目標(biāo)值80%時(shí)，通過調(diào)節(jié)孔板前減壓閥將充氣氣源的壓力減小，根據(jù)調(diào)整后的氣源壓力和容腔壓力可以判斷，在后期充氣過程中，管路中的空氣處于亞聲速狀態(tài)，隨著容腔中壓力逐漸增加，管路中壓差逐漸減小，流量也減小。當(dāng)容腔中的壓力達(dá)到目標(biāo)值后，關(guān)閉管路中電磁閥，此時(shí)，由于整個(gè)供配氣管路中壓力不均勻，導(dǎo)致流量出現(xiàn)了一定的波動(dòng)。整個(gè)充氣過程總流量和持續(xù)的時(shí)間滿足要求。

圖2 充氣過程靜壓及流量變化曲線

2.2 不同孔徑的孔板對(duì)節(jié)流的影響

由上述分析可知，聲速充氣階段空氣的速度達(dá)到最大值，通過的質(zhì)量流量最大，該過程持續(xù)時(shí)間的長短對(duì)整個(gè)充氣過程有重要影響。因此，在相同的控制策略下，對(duì)不同孔徑的孔板的充氣過程做了對(duì)比。圖3為3個(gè)孔徑分別為1.2 mm、1.6 mm和2.0 mm孔板的充氣過程變化曲線。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在聲速充氣階段，隨著孔徑的增加，通過孔板的流量也增加，容腔中的壓力提升的最快。當(dāng)容腔中的壓力達(dá)到同一閾值時(shí)，進(jìn)入亞聲速充氣階段，在相同的壓差驅(qū)動(dòng)下，大孔徑的孔板流量最大，首先完成充氣。所以，孔板尺寸不僅影響聲速充氣階段，而且影響亞聲速充氣階段。

圖3 不同孔徑的節(jié)流效應(yīng)

2.3 不同閾值對(duì)節(jié)流的影響

不同的控制策略也會(huì)對(duì)充氣過程產(chǎn)生影響，在聲速充氣階段向亞聲速充氣階段轉(zhuǎn)換時(shí)，設(shè)定合理的閾值可以改變不同階段的充氣時(shí)間，從而影響整個(gè)充氣過程。為了考慮不同閾值對(duì)節(jié)流的影響，圖4對(duì)比了 3個(gè)閾值分別為1.5 kPa、1.8 kPa和2.1 kPa的充氣過程，這3種閾值和氣源壓力的比值都小于0.528，所以，在轉(zhuǎn)換之前都是聲速充氣，在孔徑相同的前提下，進(jìn)入容腔的空氣質(zhì)量和時(shí)間成正比。由于速度達(dá)到最大值，該階段持續(xù)時(shí)間越長，可以較早的完成充氣過程。

聲速充氣過程持續(xù)時(shí)間越長容腔充氣的時(shí)間越短，圖5對(duì)比了整個(gè)過程都是聲速充氣和分階段充氣時(shí)容腔流量的變化曲線。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，雖然聲速充氣可以很快充滿容腔，但在電磁閥關(guān)閉后，管路系統(tǒng)中流量的波動(dòng)較大，如圖5中圓圈所示。這是由于聲速充氣完成后管路中的壓差較大，而且整個(gè)管路中氣流余速較大，形成了流量曲線的振蕩，而且造成管路系統(tǒng)壓力振蕩和氣動(dòng)噪聲。

圖4 不同閾值的節(jié)流效應(yīng)

圖5 不同充氣速度下流量變化

3 孔板節(jié)流的流場分析

為進(jìn)一步分析在充氣過程中孔板模型流場的變化，對(duì)孔板節(jié)流進(jìn)行幾何建模和數(shù)值仿真計(jì)算。由于該結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在建模時(shí)采用二維模型，其中管路直徑為6 mm，上下游分別計(jì)算10倍和15倍的管路直徑，孔板的厚度為0.5 mm，整個(gè)流場都采用結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格劃分，在孔板附近需要加密網(wǎng)格，最后網(wǎng)格數(shù)量為53萬。使用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算，采用軸對(duì)稱邊界來減少網(wǎng)格的數(shù)量和計(jì)算的時(shí)間，將AMESim中計(jì)算得出的孔板前后的壓力變化作為計(jì)算的邊界，使用UDF來編譯進(jìn)出口靜壓隨時(shí)間的變化曲線，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的模型，時(shí)間步長為0.2 s。

圖6為不同充氣階段中間時(shí)刻的壓力和速度變化云圖，上下游分析區(qū)域分別為1倍管徑和4倍管徑。在快速充氣階段孔板上游的壓力明顯大于下游壓力分布，較大的壓差導(dǎo)致在孔板下游大約1倍管徑處存在較大的壓力梯度，分析對(duì)應(yīng)位置的速度云圖發(fā)現(xiàn)了激波現(xiàn)象，激波嚴(yán)重阻礙了氣流的運(yùn)輸，并且在上下壁面存在強(qiáng)烈的射流，其下游影響范圍大約在8倍管徑。而在緩慢充氣階段，上下游壓差較小，在孔板下游存在明顯的射流特性，射流區(qū)域內(nèi)的流體速度不超過250 m/s，射流的影響范圍大約在5倍管徑。所以在孔板下游安裝傳感器時(shí)，應(yīng)該充分考慮孔板節(jié)流帶來的非均勻流場的影響。

圖6 不同閾值的節(jié)流效應(yīng)

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，管路中軸線上的流場變化較為劇烈。圖7對(duì)不同充氣階段中間時(shí)刻中軸線上的壓力和速度進(jìn)行量化對(duì)比。

a）壓力變化

b）速度變化

續(xù)圖7

從圖7中可以看出，在快速充氣階段氣流通過孔板壓力的最大值為385 kPa，該壓力值遠(yuǎn)大于緩慢充氣階段對(duì)應(yīng)的35 kPa，同時(shí)，快速充氣階段速度的最大值為565 m/s，也大于緩慢充氣階段對(duì)應(yīng)的127 m/s。在圖6中相對(duì)應(yīng)的位置處存在較大的梯度，在激波前速度達(dá)到最大值，氣流在通過激波后壓力突然升高，速度下降。快速充氣的流場變化明顯大于緩慢充氣時(shí)的流場特性。

圖8為整個(gè)充氣過程中沿中軸線的壓力和速度變化時(shí)空?qǐng)D。在快速充氣階段，孔板下游大約1倍管徑距離處一直存在激波現(xiàn)象，其堵塞響應(yīng)導(dǎo)致流體在激波前后壓力突然升高，速度下降。在緩慢充氣階段，隨著背壓的增加，射流影響長度逐漸減小。孔板后的背壓逐漸接近任務(wù)要求，孔板前后的壓差達(dá)到最小值，氣流產(chǎn)生的余速也較小。當(dāng)背壓達(dá)到目標(biāo)值后，關(guān)閉進(jìn)口電磁閥，完成供配氣要求。

圖8 不同充氣階段中間時(shí)刻沿中軸線壓力和速度時(shí)空?qǐng)D

4 結(jié) 論

本文研究了地面供配氣系統(tǒng)中孔板節(jié)流的流場特性，首先利用AMESim軟件對(duì)整個(gè)供配氣系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)使用孔板來實(shí)現(xiàn)供配氣更有優(yōu)勢，對(duì)比了不同孔徑的孔板和閾值對(duì)充氣過程的影響，并使用Fluent軟件來模擬充氣過程中不同階段的流場特性，主要結(jié)論如下：

a）使用孔板節(jié)流來代替質(zhì)量流量控制器更有優(yōu)勢。由于孔板制造簡單、便于拆卸和維護(hù)方便在管路系統(tǒng)中被廣泛使用。在孔板節(jié)流后期，背壓的逐漸提高導(dǎo)致流速緩慢降低，這樣更有利于實(shí)現(xiàn)緩慢充氣，減少增加后效問題。

b）對(duì)比了不同孔徑和閾值對(duì)充氣過程的影響。在聲速充氣過程中，充氣的流量只和孔徑的大小有關(guān)，而較大的閾值可以延長聲速充氣的持續(xù)時(shí)間。在對(duì)充氣時(shí)間有要求時(shí)，就需要選擇大小合適的孔板和合理的閾值來優(yōu)化充氣控制策略。

c）數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在聲速充氣階段孔板下游存在激波，氣體通過激波后，速度突然降低，壓力突然升高。在亞聲速充氣階段，孔板下游存在明顯的射流現(xiàn)象。所以在孔板下游安裝傳感器時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)考慮距離孔板的流向距離，減小射流對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響。

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Analysis of the Orifice Plate Throttling in Gas Supply and Distribution Ground System

Wang Ying-jun, Chen Shan, Quan Cheng-zhe, Bai Hua

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The simple and reliable orifice plate throttling is widely used in gas supply and distribution ground system. The throttling characteristics of the orifice plate are analyzed. The duration from the valve opening to stable sonic flow lasts a little while before the sonic gas charging stage. When the pressure reaches a certain value at the upstream of the orifice plate, the gas charging becomes the sonic charging phenomenon, whose flow characteristics only is proportional to the size of the orifice aperture under the determination of the working substance. With the increase of charging amount, the gradually increasing back pressure results into the decreasing differential pressure of orifice plate. Accompanied by the gradually decreasing flow rate at stage after sonic charging. The design of orifice plate throttling scheme is useful for engineering application.

gas supply and distribution system; orifice plate throttling; numerical simulation; charging process

V421.7

A

1004-7182(2020)01-0094-0

10.7654/j.issn.1004-7182.20200117

2018-01-23；

2018-07-19

王營軍（1988-），男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)闅怏w動(dòng)力學(xué)。

陳 山（1983-），男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械。

全承哲（1979-），男，工程師，主要研究方向?yàn)闅鈩?dòng)閥件。

白 華（1971-），女，工程師，主要研究方向?yàn)闅鈩?dòng)閥件。