活塞压缩机气流脉动数值模拟及实验验证

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1、http://www.shunlico.com活塞压缩机气流脉动数值模拟及实验验证1、绪论　　1.1研究背景及意义　　活塞式压缩机广泛应用于石油、化工、冶金、天然气行业，作为一种重要的气体增压设备，在一些工艺流程中发挥着关键作用，这些设备能否正常运行直接关系到企业的生产能力[1]。在持续安全生产中威胁最大的是管道振动，而管道振动的最大诱因就是气流脉动。由于活塞式压缩机吸、排气的非连续性，不可避免使管道内气体压力出现周期性的波动，这就是气流脉动[1,2];活塞式压缩机管道系统都存在一定程度的气流脉动，

2、这种脉动的压力在管道的突变截面、弯头、盲管、阀门等处产生交变的激振力，进而引发振动，工业现场经常出现剧烈的管道振动导致管路焊接处或法兰联接处振断，造成生产事故。　　控制管道振动首先应准确掌握管道系统的气流脉动情况，尤其是管道系统中关键节点如气缸连接法兰、弯头、阀门等处的压力脉动幅值。分析气流脉动的方法主要有两种，一种是平面波动理论，另一种是一维非定常可压缩流体流动理论[3]。平面波动理论是研究气流脉动现象时最早发展起来的理论，这种方法做了几个方面的重要假定：压力脉动值相对管道气流的平均压力值很小[4

3、,5];气体遵守理想气体的性质;认为管道中气体流速相对声速小到可以忽略不计的程度[6]。因此波动理论建立气体脉动的控制方程时能做线性化处理，最终得出能求解析解的波动方程。在符合假定的条件下，波动理论能预测出符合实际的压力脉动幅值。　　波动理论作出的假定在数学模型上就决定了它不能完整描述管道内压力波和非稳态流动耦合的复杂现象。一般认为波动理论对气体与管道壁面摩擦考虑不足，导致其在脉动幅值较大尤其共振状态下计算值偏大。此外波动理论在实际求解过程中将整个管道元件中的气流参数平均值取作气流参数值进行计算，这

4、就决定了管道内气流参数值是常数而不是随实际状态变化的值，这降低了波动理论的模拟压力脉动的准确度。　　非定常可压缩流动理论在建立描述管道内气流脉动现象的控制方程时，没有忽略非线性因素，综合考虑了气体与管道壁面的摩擦问题，实际气体性质的问题[2]。而且多认为非定常可压缩流动理论在摩擦问题上处理的更符合实际，因而在脉动幅值较大的情况下计算值比波动理论更符合实测值。但是摩擦阻尼能否显著抑制脉动幅值还有待进一步验证，其它影响气流脉动的因素还有哪些?哪一个因素起了重要作用?如何定量分析它们的影响?这些问题目前研

5、究的还不够。此外，用非定常方法建立的双曲型控制方程组需要用数值方法求解，双曲型方程应用在压力脉动上会有哪些特性，数值求解的特点、如何获得较准确的收敛解，这些问题都有待进一步分析。　　1.2气流脉动研究现状http://www.shunlico.com　　气流脉动的研究是随压缩机工业的建立开始的，工程师很早就认识到这种现象对压缩机管道系统的重要影响，美国西南研究院自20世纪50年代已经展开气流脉动的理论和实验研究[7]。1962年，Kinsl和Kfrey[8]最早提出经典的平面波动理论，至今仍是气流脉

6、动研究的基础性理论之一[9]，波动理论不考虑管道内气流流速和气体实际性质，并忽略非线性因素，最终得出波动方程，从而用声波传播的原理很好的揭示了气流脉动的机理，对加深认识气流脉动的本质有重要意义。气流脉动研究的两大任务是压力脉动幅值和气柱固有频率的计算，60年代后期有学者开始对压力脉动幅值计算进行初步探索[10,11]。1970年，日本学者Toru等[12]提出转移系数法，用结构离散化的思想，将通常复杂的管道系统分割成不同的元件，分别计算。这样处理的优点是易于实现数字计算机编程，因而得到了广泛应用，至

7、今仍是脉动计算的主流方法之一。70年代初山田荣[13]、野田桂一郎[14]提出刚度矩阵法，克服了转移系数法对分支管路处理繁琐的缺陷。1973年酒井敏之等[15]提出计算复杂管系气柱固有频率的转移矩阵法，仍然借助结构离散化思想，首先计算每个管道元件的转移矩阵，再进行总装配，最后用计算机求解出各阶气柱固有频率，这种方法同样易于编程计算，因而应用非常广泛。同年，美国的Sodel教授引入经典的亥姆霍兹共鸣器法，开始了压缩机消声器研究[16]。以上几种方法都是基于波动理论发展起来的，而波动理论在阻尼因素上作了

8、线性化处理即认为阻尼与速度成正比，当阻尼超出线性范围时，计算值比实际值偏大，因此限制了它的应用范围。后来有研究人员[17]对波动理论进行改进，认为速度的平方决定摩擦力的大小，使波动理论能计算脉动幅值较大的情况，拓展了它的应用范围。与此同时，不作简化直接用数值计算手段求解管道内非定常气流流动控制方程组的方法从70年代初开始，1972年Benson[18]总结了数值模拟方法的一些进展，提出可处理管道边界的匀熵特征线法。自1974年起，在美国普渡大学历届召开的国际压缩机会议