容器放氣過程的數(shù)值模擬及熱力學(xué)模型研究.pdf

1、容器放出法是一種測(cè)試氣動(dòng)元件流量特性的方法，因其簡(jiǎn)便、節(jié)能、高效，故具有很高的應(yīng)用價(jià)值。本課題基于國(guó)際合作研究項(xiàng)目，對(duì)放出法進(jìn)行了基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究，其目的在于給國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織提交一種通用的測(cè)試氣動(dòng)元件流量特性的新方法。本文采用了有限體積數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)容器放氣過程的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布及變化規(guī)律、等溫容器的特性及等溫容器放出法、空容器放氣過程的多變指數(shù)、放氣過程的熱力學(xué)模型及其應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，目的在于全

2、面、直觀地認(rèn)識(shí)放氣過程，提高放出法的測(cè)試精度，研究?jī)?nèi)容具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。 文中首先建立了容器放氣過程的數(shù)學(xué)模型，通過將等溫容器內(nèi)的填充物簡(jiǎn)化為一定孔隙率的多孔介質(zhì)，利用Fluent軟件對(duì)空容器和等溫容器的放氣過程進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了放氣過程中速度場(chǎng)分布、溫度場(chǎng)分布以及它們的變化規(guī)律。 模擬結(jié)果表明：(1)速度場(chǎng)主要位于放氣口附近很小的區(qū)域，容器內(nèi)大部分區(qū)域在放氣過程中速度接近于0；(2)容器內(nèi)的溫度場(chǎng)的分布和

3、容器形狀有關(guān)，最低溫度位于容器中心，并且溫度梯度隨放氣過程不斷加大；(3)等溫容器放氣過程的溫度變化范圍要比空容器小約20倍，非常接近于等溫過程。最后，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，容器內(nèi)壓力曲線的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合，容器內(nèi)空氣的平均溫度的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡管有一定誤差，但仍能正確反映溫度變化的趨勢(shì)和規(guī)律。 其次，等溫容器的等溫特性直接決定其使用性能。因此，本文對(duì)不同條件下等溫容器放氣過程的溫度變化規(guī)律進(jìn)行了全

4、面的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，容器內(nèi)填充細(xì)金屬絲可以顯著增強(qiáng)熱交換，使放氣過程的溫降很小，并可近似為等溫過程。但放氣過程的溫降受到很多因素的影響，在放氣初始?jí)毫头艢饪诠潭ǖ臈l件下：填充密度一定時(shí)，金屬絲的線徑越細(xì)等溫效果越好；填充物只要是金屬絲，材質(zhì)影響不大；金屬絲的填充密度越大，等溫效果越好。另外，在充氣壓力和填充密度一定的情況下，放氣速度越快，等溫性能越差。通過實(shí)驗(yàn)可知：在放氣初始?jí)毫?00kPa、50μm銅絲填充密度0.3kg/L的

5、條件下，要形成等溫容器，則容器的容積(L)和放氣口的聲速流導(dǎo)(×10<'-8>m<'3>/(s·Pa))的比值必須大于等于6。研究表明等溫容器放出法能夠用來測(cè)量放氣電磁閥的聲速流導(dǎo)和臨界壓力比，盡管忽略溫度變化會(huì)引起一定的誤差，但測(cè)試結(jié)果說明采用全局優(yōu)化的方法，仍舊能夠得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。 再次，文中還通過“停止法”對(duì)空容器放氣過程聲速段和整個(gè)放氣過程的多變指數(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，容器的放氣過程是個(gè)多變指數(shù)不斷變化的過程，多變

6、指數(shù)從1.4開始逐漸減小并趨近于1，放氣過程中有熱交換的存在并隨著放氣過程不斷加強(qiáng)。為了提高定容積放出法的測(cè)試精度，把多變指數(shù)應(yīng)用于定容積放出法測(cè)試聲速流導(dǎo)的數(shù)據(jù)處理中，提出了部分多變指數(shù)法和完全多變指數(shù)法，結(jié)果證明：完全多變指數(shù)法所得的聲速流導(dǎo)精確度非常高，且穩(wěn)定性也很好，隨測(cè)試時(shí)間點(diǎn)的變化幅度小于1.2％。 文中還建立了集總參數(shù)法的空容器放氣過程的熱力學(xué)模型，針對(duì)模型中的難以測(cè)定的換熱系數(shù)，提出了兩種方法：固定換熱系數(shù)模型和

7、基于大空間自然對(duì)流換熱模型。對(duì)于固定換熱模型，根據(jù)停止放氣后的壓力曲線得到此過程的換熱系數(shù)，并把這個(gè)換熱系數(shù)作為放氣過程中的換熱系數(shù)，基于此模型的放氣過程仿真結(jié)果要比絕熱模型的仿真結(jié)果接近試驗(yàn)結(jié)果很多?；诖罂臻g自然對(duì)流的換熱模型中的熱交換系數(shù)是根據(jù)自然對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式得到的，它隨著放氣過程的變化而變化，根據(jù)這個(gè)模型仿真得到壓力曲線和溫度曲線和試驗(yàn)結(jié)果都很一致，說明該模型能夠真實(shí)反映放氣過程的熱交換。 論文最后把基于大空間自然對(duì)流

8、換熱的放氣熱力學(xué)模型和放氣壓力曲線相結(jié)合，由放氣的初始狀態(tài)遞推得到放氣過程中容器內(nèi)空氣的平均溫度和放氣過程的多變指數(shù)，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致，說明此方法可以替代“停止法”來確定放氣過程的平均溫度。基于放氣熱力學(xué)模型，根據(jù)放氣壓力曲線，通過分段函數(shù)優(yōu)化的方法來辨識(shí)放氣閥的聲速流導(dǎo)和臨界壓力比，得到的結(jié)果和ISO6358所測(cè)的結(jié)果基本相同。研究表明，基于模型辨識(shí)的方法要比ISO6358簡(jiǎn)單、節(jié)能，且精度不低于ISO6358標(biāo)準(zhǔn)中A級(jí)精度