FLUENT气体稳压罐模拟案例之一
正文共： 1454字 8图 预计阅读时间： 4分钟1 前言稳压罐在工业管路上是较为常见的一个装置，顾名思义，稳压罐就是用来稳定管路介质压力的设备。介质在运行过程中可能由于某些瞬态造成压力不稳而产生波动，这种波动可能对上下游其他设备造成损害。稳压管本质上就是一个蓄能（储能）装置，当管路压力上升（能量增加）时，吸收能量；当管路压力下降时，释放能量，从而达到稳住管路压力的目的。严格上讲，稳压罐应该是一个具有自动调节能力的装置，比如通常的稳压罐会有一个弹性组件，可根据压力变化情况自动变形来实现缓冲稳压作用，这种通常用于液体介质的稳压。对于气体稳压罐，有时候可能相对简单一些，因为气体本身就是可压缩的，因此可以通过一个刚性容器来存储气体。也就是当管路气体压力增高时，气体被充装到稳压罐内，当管路气体压力降低时，稳压罐内的气体又会自动泄放到管路中，这种稳压方式利用气体自身的可压缩性，因此可以适用各种频率的压力波动，结构简单。同时，我们也注意到，由于这个设备利用了气体的可压缩性，因此当介质压力波动幅度越高，效果越明显。若介质本身压力波动幅度不足以产生显著的可压缩性，则基本没有效果。另外，稳压罐的容积越大，吸收能量的能力越强，容积小到零的时候，就是退化为没有稳压罐。今天，我们用一个简单的案例探讨一下这个问题。2 建模与网格在ICEM CFD创建如下两段二维平面管道模型，其中一段安装了稳压罐，另一端没有安装稳压罐，稳压罐通过一根小连接管连通到管道上。划分四边形结构化网格，节点总数约为3.6万，最小正交质量1.0。3 边界条件与求解设置本案例稳压罐的核心在于气体的可压缩性，因此我们选择理想气体模型，也可以采用其他可压缩模型，介质为默认空气。管道入口为质量流量入口，我们采用UDF来定义流量，人为施加一个脉动流量，以产生一个压力波动，UDF代码如下。#include "udf.h"DEFINE_PROFILE(vel,thread,i){real time=RP_Get_Real("flow-time");face_t f;begin_f_loop(f,thread){if(time<=1.0){F_PROFILE(f,thread,i)=0.2;}else if(time<=1.5){F_PROFILE(f,thread,i)=0.2+(time-1.0)*8;}else if(time<=2.0){F_PROFILE(f,thread,i)=4.2-(time-1.5)*8;}else{F_PROFILE(f,thread,i)=0.2;}}end_f_loop(f,thread)} 出口采用outlet-vent，阻力系数为100，这里主要用来增加管道的工作压力。本案例我们不考虑固体壁面和外界环境的散热，按绝热壁面处理。我们创建监视器，监测两段管道入口的压力变化情况。瞬态求解，时间步长取0.001s。4 计算结果首先，我们看一下两段管道的入口压力曲线，图中黑色曲线为安装了稳压罐的入口压力，可以明显看出在产生压力波动时有稳压罐的管道入口压力波动小于没有稳压罐的管道入口压力波动，缓冲值约为36483Pa，亦即约缓解了9.8%的压力波动幅度。我们再看一下压力升高时，稳压罐入口速度场和温度场，此时空气被挤进稳压罐里，且由于空气被压缩，温度上升。压力降低时，稳压罐入口速度场如下图，此时空气从稳压罐排入管道内。以上演示了刚性气体稳压罐的稳压效果，其实不是很明显，当然，如前文所述，这种稳压罐受工作压力波动范围、稳压罐容积等影响显著，感兴趣的读者可以继续做深入研究。来源：仿真与工程
