流体动力学(CFD)在往复式压缩机管道系统气流脉动计算中的应用

流体动力学（CFD）在往复式压缩机管道系统气流脉动计算中的

应用

关键词：管道系统 cfd技术气流脉动 fluent 孔板

往复式压缩机是石油、天然气、化工及电力等工业生产中的重要机械设备，其管道系统又是实现物质运输的主要途径，然而管道系统的振动会对安全生产造成很大的威胁，众多生产实践表明压缩机管路的绝大多数振动问题都是由气流脉动引起的，而压缩机吸排气的间歇性、周期性特点是产生气流脉动的主要原因。因此研究气流脉动的产生机理，建立合理的流体动力学模型进行管道中气流脉动的预测具有重要的理论意义和工程实用价值。

现有研究气流脉动较为成熟的方法大多基于平面波动理论[1]或一维非定常流动理论[2]，它们均未考虑流体流动时湍流的影响，同时对缓冲器、孔板、冷却器、分离器等管路元件的气流脉动计算精度也较差。随着计算机速度的提高和近年来cfd技术的发展，选用有限元方法[3，4]及有限容积法[5]计算管系的气流脉动取得了一定的成效。cfd方法[6]应用于稳态的工业流场模拟已有较多的报道，但对非稳态的脉动流场研究较少。

本文基于cfd方法建立管道系统流体动力学模型。在考虑湍流的情况下[7]，模拟了含空冷器及孔板管道等管路原件的管道系统非定常流动时气流脉动及流场特性。通过和实验数据对比验证了cfd 方法计算管道系统气流脉动的合理性及准确性。

一、cfd模拟计算理论

目前广泛用于计算流体力学的数值方法有有限差分法、有限元法、有限体积法等，其目的都是将控制方程离散化，本文用到的cfd 软件fluent[8-9]采用有限体积法将非线性偏微分方程转变为网格单元上的线性代数方程，然后通过求解线性方程组得出流场的解。因此对于所有流动，fluent都求解质量和动量守恒方程；对于包含传热或可压性流动，还需要增加能量守恒方程；如果是湍流问题，还有相应的输运方程需要求解；我们称以上各方程为控制方程。根据模型特点，本文所用fluent中的标准湍流模型对低速可压管流问题有良好的表现。

1.统一控制方程形式

式中，为通用变量，可以代表，，，等求解变量；为广义扩散系数；为广义源项，式中各项依次为瞬态项（transient term）、对流项（convective term）、扩散项（diffusive term）和源项（source term）。

2.标准方程

标准模型需要求解湍动能和耗散率方程。该模型假设流体流动为完全湍流，忽略分子的粘性影响。该模型的湍动能和耗散率方程为：

-由于平均速度梯度引起的湍动能；

-由于浮力影响引起的湍动能；

-可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；

-湍流粘性系数，。

此模型中的各个常数在fluent中的默认值为，

，湍动能和耗散率的湍流普朗特数分别为：，

该模型适合对完全湍流流动的模拟。

二、气流压力脉动实验及管道系统计算模型

1.孔板消减气流脉动实验

为了对管道系统气流脉动的模拟结果进行验证，依照图1搭建了往复式压缩机管道系统压力脉动测试实验平台。测试系统主要由一台往复式压缩机、变频器、与其相连的管道系统、直流稳压电源、压力传感器、示波器、数据采集及分析系统组成。

2.管道系统的计算模型

根据搭建的管道系统实验平台，在不影响模拟结果的前提下，为提高计算效率采用如图2所示（尺寸单位为mm）的二维计算模型。将模型导入gambit中划分单元网格，网格类型采用非结构化（pave）的四边形网格（quad），共得到17644个单元。最后在gambit中对管道系统添加边界条件，入口边界条件采用非定常压力入口边界条件，出口边界条件为压力出口边界。

三、气流脉动模拟及实验分析

1.模拟分析

将在gambit中化分好的网格模型导入fluent中，在fluent中根据管道内部介质的性质采用基于密度（耦合式）的隐式2ddp（二维双精度）求解器，并指定其计算模式为非稳态；计算模型选择标准

双方程湍流模型；流体类材料为理想空气。根据现场实验条件，出口边界条件采用非定常压力边界条件：（根据其公式用c语言编译非定常速度udf函数）即施加一个频率为7.3hz（模拟转速为438r·min-1压缩机）、压力不均匀度为24%的脉动压力条件，入口边界条件采用定常压力边界条件（由储气罐上的背压阀控制），文中设定为101325pa。图3为未加孔板时缓冲器前后压力脉动曲线图，由图可以看出缓冲器对消减气流脉动有一定的作用；图4为加入孔径比为0.5的孔板后缓冲器前后压力脉动曲线图，对比图4发现孔板对消减气流脉动有明显的作用效果，但在加入孔板时需要选择适当的孔径比，由图可知0.5的孔径比衰减效果很理想。

2.实验测试结果

图5为当压缩机以438 r？min-1转速运行时，添加孔径比为0.5，厚度为8mm的孔板后，孔板前后主管线上压力脉动的对比图；与模拟结果（图4所示曲线）十分吻合。从二者对比结果可看出利用cfd的方法计算管道系统的脉动压力具有直观、形象、准确的特点。

四、结论

1.基于cfd技术，通过利用fluent软件对管道系统内部流场的计算，直观形象的验证了缓冲器、孔板等管路原件对气流脉动的消减作用。