高壓氣罐排氣簡化模型的預研模擬研究

嚴水霖

（福建永泰閩投抽水蓄能有限公司，福建 福州 350700）

1 問題描述與模擬模型

問題：模擬高壓氣罐向有限尺寸的開放空間中排氣的過程。重點關注排氣時氣體參數的持續(xù)變化過程，包括溫度變化、壓力變化和速度變化；模擬總結不同條件下排期過程結束所需的時間；總結相關影響因素及影響規(guī)律。

模型：氣罐尺寸Φ2 000×4 000，管路尺寸Φ100，管路長度5 000。（單位mm）

參數設置：①初始溫度24 ℃；②初始速度0 m/s；③罐內初始壓力8 MPa；④出口壓力1 MPa、2 MPa、4 MPa；⑤壁面?zhèn)鳠嵯禂?[絕熱]、20 W·m-2·K-1、100 W·m-2·K-1、200 W·m-2·K-1；⑥計算網格90萬結構化，邊界層初層網格高度0.2 mm、15層冪律增長；⑦非穩(wěn)態(tài)模擬，時間步長0.002 s，計算2 000步共4 s物理時長；⑧浮力模型開啟，重力加速度9.8 m/s2，氣體浮力參考溫度24℃。

2 基準工況的計算

以罐內8 MPa、出口1 MPa、壁面?zhèn)鳠嵯禂? W·m-2·K-1的計算工況，作為基準工況。

2.1 流場特征

（1）壓力特征

在高壓氣罐排氣的不同時刻，流場的壓力分布如圖2、圖3所示。圖3中可看出，氣罐至出口的壓力下降過程平順，但在管路出口處形成不連續(xù)的高壓-低壓相間變化，出現了典型超聲速射流的壓縮波-膨脹波結構。

圖2 高壓氣罐排氣全流場壓力云圖

圖3 高壓氣罐排氣出口空間壓力云圖

（2）溫度特征

在高壓氣罐排氣的不同時刻，流場的溫度分布如圖4、圖5所示。氣罐至出口的溫度變化過程平順，隨著排氣進行，管內溫度逐漸降低，降幅大于20℃。管路出口處形成不連續(xù)的高溫-低溫相間變化，出現了典型超聲速射流的壓縮波-膨脹波結構。

圖4 高壓氣罐排氣全流場溫度云圖

圖5 高壓氣罐排氣出口空間溫度云圖

（3）管路出口的超音速特征

使用渦結構顯示方法，對管路出口處的超聲速射流進行可視化處理，得到如圖6、圖7所示的馬赫環(huán)結構。隨著排氣過程的推進，馬赫環(huán)的間距變小，擴張角度變大，說明流速逐漸下降，射流逐漸向擴散性射流退化發(fā)展。對比文獻的研究結果，可知本算例模擬結果具有合理性。

圖6 高壓氣罐排氣出口的超音速流動

圖7 高壓氣罐排氣出口空間的壓縮波-膨脹波結構

圖8 文獻[1]高壓排氣出口流場模擬圖像

（4）管路內部的超音速特征

根據空氣動力學的噴管射流原理可知，達到聲速的氣流，其實現超聲速的條件必須是管路直徑先縮小后增大、先壓縮氣流再使氣流膨脹，在膨脹過程中實現超音速。因此，等徑管路內的氣流速度不會超過當地音速。但是，在本算例中，由于管路存在彎管，氣流通過彎管時，受后臺階旋渦結構的影響，實際過流面積是先縮小、后擴大，因此局部具備了氣流超音速的條件。模擬結果也顯示出，在彎管處出現局部超音速流動，見圖9所示。

圖9 高壓氣罐排氣管路內部局部超音速流動

2.2 參數變化

如圖10設置測點，考察參數的變化過程。如圖11可見，在排期過程中，壓力和溫度下降，速度升高。說明排氣為絕熱過程，氣體內能轉換為動能。在排氣初期，具有較為劇烈的變化，這與管路出口建立超聲速流場有關，在罐中也能檢測到這一影響，說明下游出口的超聲速振動對上游也有較明顯的影響。

圖1 模型示意圖

圖10 測點位置示意圖

圖11 測點參數變化過程（采樣率5 Hz）

2.3 潛在問題

（1）氣體降溫幅度大，對罐體和管路的材料性能可能產生影響。

綜上所述,在進一步提高射頻技術使用效果的同時,我們可以合理的將射頻技術應用在疼痛治療中,本文總結了如何將射頻技術在疼痛治療中進行有效應用,提出了應用的有效方式。

（2）排期初始階段建立超聲氣流的高能振蕩，對系統(tǒng)的機械結構可能產生影響。

（3）管路內部局部超聲速可產生多種危害，例如震動和局部嚴重低溫等。

3 工況參數的影響

3.1 壁面換熱系數的影響

分別使用壁面換熱系數0[絕熱]、20 W·m-2·K-1、100 W·m-2·K-1、200 W·m-2·K-1進 行模擬，可知本算例中壁面換熱系數幾乎無影響，流場圖像無顯著區(qū)別，此處僅列舉監(jiān)測曲線對比，見圖12所示。曲線幾乎重疊，差異很小。與管路過短、流速過快、換熱過程時間過短有關。

圖12 不同壁面換熱系數模擬結果對比

3.2 罐內外壓差的影響

固定罐內壓力8 MPa，分別使用出口壓力1 MPa、2 MPa、4 MPa進行模擬，見圖13所示。模擬結果顯示，出口壓力較高、排氣壓差較小時，排氣初始階段出口建立超聲速流場時產生的流量波動幅度較大，但達到穩(wěn)定流量的時間較短，同時排氣后期的流量衰減較快。

圖13 不同出口壓力模擬結果對比

流場圖像方面，出口壓力為1 MPa與2 MPa時差異較小，而出口壓力為4 MPa的排氣后期圖像有明顯變化，主要為管路出口的超聲速特征幾乎消失，說明在高壓氣罐的排期過程中，應考慮跨聲效應可能帶來的影響。

3.3 管路長度的影響

在文獻[1]中，管路的長徑比為1 257.86，壓差6.4 MPa，其計算得到排氣初始時管路入口處特征Ma數為0.14，壓差降低至4.5 MPa時的排氣時間為1 440 s。本算例中管路長徑比僅為50，排期初始階段管路入口處特征Ma數為0.33，壓差降低至4.5 MPa時的排氣時間約為4 s。雖然排氣時間遠小于文獻值，但根據文獻提供的計算公式可知，初始Ma2對時間的計算具有指數級的影響。本算例與文獻的Ma2差別約為4.7倍，計算時間時可作為指數可產生數倍數量級的差別，故本算例結果與文獻差異較大，是符合理論分析的。

管路長徑比除了通過阻力影響流量，在考慮壁面對流換熱的情況下還會影響氣流的溫度。短管路中的高速氣流近似于絕熱流動；但當管路足夠長、換熱時間足夠充足時，高速氣流仍可通過對流換熱獲得能量，彌補管路阻力的能量損失。因此，使用長管路進行排氣時，排期時間具有正反兩種影響因素，過程較為復雜，有待進一步研究和驗證相關理論。

4 結論

（1） 通過構建氣系統(tǒng)三維模型，完成數值模擬仿真，結果發(fā)現，隨著排氣進行，管內溫度逐漸降低，降幅大于20℃。管路出口處形成不連續(xù)的高溫-低溫相間變化，出現了典型超聲速射流的壓縮波-膨脹波結構。

（2） 在排氣過程中，發(fā)現超聲速流動出現在彎頭處，且下游出口的超聲速振動對上游也有較明顯的影響。

（3） 出口壓力不同時，流場現象差異明顯。出口壓力為4 MPa時，超聲速現象消失，說明在高壓氣罐的排期過程中，應考慮跨聲效應可能帶來的影響。

（4） 管路長度對排氣壓力有正反兩種影響因素，過程復雜，有待進一步研究和驗證相關理論。