暫沖氣源的容器壓力變化與管道非定常流動計算

1、第11期2015年11月機械設(shè)計與制造MachineryDesign&Manufacture67暫沖氣源的容器壓力變化與管道非定常流動計算趙運翔，郭良斌(武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院，湖北武漢430081)摘要：研究了氣體軸承實驗臺暫沖氣源容器的壓力變化和管道內(nèi)非定常流動的特性。利用特征線法對一階偏微分方程進行求解。將管路末端閥門簡化為固定節(jié)流口，分析了不同大小節(jié)流1：2對管道流動的影響。采用FORTRAN語言編寫計算程序，結(jié)果表明：管道

2、內(nèi)氣體流場達到穩(wěn)定狀態(tài)需要008s，暫沖氣源在工作過程中容器的壓強會減小，由lObar減小到5bar需要53s，此時間長度滿足了測試所需的時間要求。節(jié)流口中值越大，氣體流速越大，管道內(nèi)氣體流場達到穩(wěn)定所需時間越短。特征線法能滿足計算精度和速度的要求，為實驗臺管道系統(tǒng)的研究提供了一種可能的方法。關(guān)鍵詞：氣體軸承；暫沖氣源；管道；非定常流動；特征線法中圖分類號：TH16；TH138；TH47文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1001—3997(201

3、5)110067—04NonSteadyFlowCalculationofPipelineandPressureChangeofContainerofTemporaryImpulseSourceTestBedZHAOYun—xiang，GUOLiang—bin(MachineryandAutomationCollege，WuhanUniversityofScienceandTechnology，HubeiWuhan430081，Chin

4、a)Abstract：Tostudythegasflowcharacteristicsofpipelineandpressurechangeofcontaineroftemporaryimpulsesourcetest—bedofgasbearing，thecharacteristicsmethodisusedtosolvethefirstorderpartialdifferentialequationThevalveinstalled

5、intheendofthepipelineissimplifiedasfixedorificehanalyzestheimpactonthepipelineflowofd~erentsizeorificeandwritestheprogralninFORTRANlanguageTheresultsshowthatittakes008secondsteachsteadyflowofpipelineThepressureofcontaine

6、rwillreduceIttakes53secondswiththepressureofcontainerreducingfiom10bartO5barThelengthoftimesatisfiestherequirementoftestingThegasvelocityincreasegraduallywiththevalueof中increasesIttakeslesstimeteachsteadyflowwhenthevalue

7、of中increasesCharacteristicsmethodcansat@therequirementsofaccuracyandcomputationspeedItprovidesapossibleapproachforthefurtherstudyandoptimizationKeyWords：GasBearing；TemporaryImpulseSource；Pipeline；NonSteadyFlow；MethodofCh

8、aracteristics1引言氣體軸承依靠幾微米的氣膜間隙對機器運動部件進行支撐。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的氣體軸承供氣壓力小，耗氣量小，承載能力低。隨著科技的不斷發(fā)展和工業(yè)需求的不斷提高，需要開發(fā)供氣壓力高，氣體消耗量大的重載氣體軸承以滿足生產(chǎn)需求_l_。為了研究稀疏波與超音速邊界層相互作用下圓盤氣體軸承的特陛，需要設(shè)計滿足實驗要求的實驗臺。用于大流量氣體軸承研究的實驗臺，氣體消耗量大，擬采用暫沖氣源供氣，其工作狀態(tài)在某種程度上類似于壓力容器放氣的

9、基本過程，需要對正常測試之前的非定常流場進行計算。國內(nèi)外學(xué)者對管道內(nèi)非定常流動特性已經(jīng)有了較多的研究。文獻利用特征線法對天然氣管道進行了分析研究。文獻日研究了漸縮管道內(nèi)的流動特性。文獻吩析了氣缸放氣過程中的結(jié)露問題。文獻研究了氣缸內(nèi)氣體狀態(tài)變化。因容器、管道、控制閥和實驗軸承整個系統(tǒng)的邊界條件較為復(fù)雜，目前很少有人對整個系統(tǒng)進行研究。研究了系統(tǒng)前端的非定常流動特性，分析了容器壓力、管道壓力、管道出口速度以及閥門開度對管道內(nèi)流動狀態(tài)的影響

10、，為研究整個系統(tǒng)奠定了一定的理論基礎(chǔ)。2簡化數(shù)學(xué)模型管道末端閥門突然開啟，氣體由一個大的容器流經(jīng)管道，通過末端閥門，排人大氣。在系統(tǒng)工作過程中，傳熱系數(shù)對壓力與流量影響較小，該計算只考慮系統(tǒng)壓力和流量，可以按絕熱過程計算。將實驗臺的工作過程抽象為一個帶一定長度管道的固定容器放氣過程，管的末端閥門簡化為固定節(jié)流口模型，如圖1所示。來稿日期：2015—04—03基金項目：國家自然科學(xué)基金(51475341)作者簡介：趙運翔，(1989一)，

11、男，宜昌人，碩士研究生，主要研究方向：流場計算；郭良斌，(1973一)，男，武漢人，博士研究生，教授，主要研究方向：氣體潤滑軸承No11NOV2015機械設(shè)計與制造(等)哮Px05krCs(18，式中：％—參考音速(m，s)。容器內(nèi)氣體質(zhì)量為：()=()。(19)式中：()——個時間步長時的容器質(zhì)量。容器內(nèi)氣體壓力變化率為：單一爭20)y容器內(nèi)壓力為：(pc)=(pc)(21)式中：器滯止音速c—容器體積(ms)；(pc)。一個時間步長

12、的容器壓強。狀態(tài)方程：pV=mRT(22)式中：器溫度(K)；器氣體質(zhì)量()。將已求出的P，m代人式(22)，可以求出容器內(nèi)氣體的溫度變化。4程序設(shè)計采樣FORTRAN95編寫相應(yīng)的計算機程序。對包含容器、管道以及閥的前端系統(tǒng)進行計算。程序可以計算出容器內(nèi)狀態(tài)參數(shù)，管道的流動狀態(tài)。計算流程圖，如圖2所示。式(11)計算△zl式(9)、式(1。)計算A一和Aul式(12)計算人口端邊界上迭代方法求解式(16)、式(17)出口端邊界l式(1

13、8)計算dm／dt式(19)、式(21)計算rn~pN圖2計算流程圖Fig2FlowChartofCalculation5計算結(jié)果實驗臺的設(shè)計參數(shù)與初始數(shù)據(jù)，如表1所示。表1計算參數(shù)Tab1CalcuiationParameters參數(shù)參數(shù)值管長(m)管徑m)參考壓強(b)初始管溫(K)容器壓力(b)容器體積m)面積比計算結(jié)果，如圖3一圖6所示。由圖3可知，容器內(nèi)壓力逐漸降低。容器內(nèi)壓力從lObar降到5bar時，需要53s時間。j幽0