【正文】 活塞壓縮機(jī)氣流脈動數(shù)值模擬及實驗驗證 緒論 研究背景及意義 活塞式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、天然氣行業(yè)，作為一種重要的氣體增壓設(shè)備，在一些工藝流程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這些設(shè)備能否正常運(yùn)行直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)能力[1]。在持續(xù)安全生產(chǎn)中威脅最大的是管道振動，而管道振動的最大誘因就是氣流脈動。由于活塞式壓縮機(jī)吸、排氣的非連續(xù)性，不可避免使管道內(nèi)氣體壓力出現(xiàn)周期性的波動，這就是氣流脈動 [1,2]?；钊綁嚎s機(jī)管道系統(tǒng)都存在一定程度的氣流脈動，這種脈動的壓力在管道的突變截面、彎頭、盲管、閥 門等處產(chǎn)生交變的激振力，進(jìn)而引發(fā)振動，工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)劇烈的管道振動導(dǎo)致管路焊接處或法蘭聯(lián)接處振斷，造成生產(chǎn)事故。 控制管道振動首先應(yīng)準(zhǔn)確掌握管道系統(tǒng)的氣流脈動情況，尤其是管道系統(tǒng)中關(guān)鍵節(jié)點如氣缸連接法蘭、彎頭、閥門等處的壓力脈動幅值。分析氣流脈動的方法主要有兩種，一種是平面波動理論，另一種是一維非定常可壓縮流體流動理論 [3]。平面波動理論是研究氣流脈動現(xiàn)象時最早發(fā)展起來的理論，這種方法做了幾個方面的重要假定：壓力脈動值相對管道氣流的平均壓力值很小 [4,5]。氣體遵守理想氣體的性質(zhì) 。認(rèn)為管道中氣體流速相 對聲速小到可以忽略不計的程度 [6]。因此波動理論建立氣體脈動的控制方程時能做線性化處理，最終得出能求解析解的波動方程。在符合假定的條件下，波動理論能預(yù)測出符合實際的壓力脈動幅值。 波動理論作出的假定在數(shù)學(xué)模型上就決定了它不能完整描述管道內(nèi)壓力波和非穩(wěn)態(tài)流動耦合的復(fù)雜現(xiàn)象。一般認(rèn)為波動理論對氣體與管道壁面摩擦考慮不足，導(dǎo)致其在脈動幅值較大尤其共振狀態(tài)下計算值偏大。此外波動理論在實際求解過程中將整個管道元件中的氣流參數(shù)平均值取作氣流參數(shù)值進(jìn)行計算，這就決定了管道內(nèi)氣流參數(shù)值是常數(shù)而不是隨實際狀態(tài)變化的值，這 降低了波動理論的模擬壓力脈動的準(zhǔn)確度。 非定常可壓縮流動理論在建立描述管道內(nèi)氣流脈動現(xiàn)象的控制方程時，沒有忽略非線性因素，綜合考慮了氣體與管道壁面的摩擦問題，實際氣體性質(zhì)的問題 [2]。而且多認(rèn)為非定?？蓧嚎s流動理論在摩擦問題上處理的更符合實際，因而在脈動幅值較大的情況下計算值比波動理論更符合實測值。但是摩擦阻尼能否顯著抑制脈動幅值還有待進(jìn)一步驗證，其它影響氣流脈動的因素還有哪些 ?哪一個因素起了重要作用 ?如何定量分析它們的影響 ?這些問題目前研究的還不夠。此外，用非定常方法建立的雙曲型控制方程組需要用數(shù)值方 法求解，雙曲型方程應(yīng)用在壓力脈動上會有哪些特性，數(shù)值求解的特點、如何獲得較準(zhǔn)確的收斂解，這些問題都有待進(jìn)一步分析。 氣流脈動研究現(xiàn)狀 氣流脈動的研究是隨壓縮機(jī)工業(yè)的建立開始的，工程師很早就認(rèn)識到這種現(xiàn)象對壓縮機(jī)管道系統(tǒng)的重要影響，美國西南研究院自 20 世紀(jì) 50年代已經(jīng)展開氣流脈動的理論和實驗研究 [7]。 1962年， Kinsl 和 Kfrey[8]最早提出經(jīng)典的平面波動理論，至今仍是氣流脈動研究 的基礎(chǔ)性理論之一 [9]，波動理論不考慮管道內(nèi)氣流流速和氣體實際性質(zhì)，并忽略非線性因素，最終得出波動方程，從 而用聲波傳播的原理很好的揭示了氣流脈動的機(jī)理，對加深認(rèn)識氣流脈動的本質(zhì)有重要意義。氣流脈動研究的兩大任務(wù)是壓力脈動幅值和氣柱固有頻率的計算， 60 年代后期有學(xué)者開始對壓力脈動幅值計算進(jìn)行初步探索 [10,11]。 1970年，日本學(xué)者Toru等 [12]提出轉(zhuǎn)移系數(shù)法，用結(jié)構(gòu)離散化的思想，將通常復(fù)雜的管道系統(tǒng)分割成不同的元件，分別計算。這樣處理的優(yōu)點是易于實現(xiàn)數(shù)字計算機(jī)編程，因而得到了廣泛應(yīng)用，至今仍是脈動計算的主流方法之一。 70年代初山田榮 [13]、野田桂一郎 [14]提出剛度矩陣法，克服了轉(zhuǎn)移系數(shù)法對分支管路處理 繁瑣的缺陷。 1973 年酒井敏之等 [15]提出計算復(fù)雜管系氣柱固有頻率的轉(zhuǎn)移矩陣法，仍然借助結(jié)構(gòu)離散化思想，首先計算每個管道元件的轉(zhuǎn)移矩陣，再進(jìn)行總裝配，最后用計算機(jī)求解出各階氣柱固有頻率，這種方法同樣易于編程計算，因而應(yīng)用非常廣泛。同年，美國的 Sodel教授引入經(jīng)典的亥姆霍茲共鳴器法，開始了壓縮機(jī)消聲器研究 [16]。以上幾種方法都是基于波動理論發(fā)展起來的，而波動理論在阻尼因素上作了線性化處理即認(rèn)為阻尼與速度成正比，當(dāng)阻尼超出線性范圍時，計算值比實際值偏大，因此限制了它的應(yīng)用范圍。后來有研究人員 [17]對波動 理論進(jìn)行改進(jìn)，認(rèn)為速度的平方?jīng)Q定摩擦力的大小，使波動理論能計算脈動幅值較大的情況，拓展了它的應(yīng)用范圍。與此同時，不作簡化直接用數(shù)值計算手段求解管道內(nèi)非定常氣流流動控制方程組的方法從 70年代初開始，1972年 Benson[18]總結(jié)了數(shù)值模擬方法的一些進(jìn)展，提出可處理管道邊界的勻熵特征線法。自 1974年起，在美國普渡大學(xué)歷屆召開的國際壓縮機(jī)會議，都會討論氣流脈動項目，大大推動了此項研究。這一年的會議上 Singh和 Sodel[19]教授共同發(fā)表一篇綜述，全面總結(jié)了壓力脈動和氣柱固有頻率計算的各種方法，制訂出衰減 壓力脈動的評價標(biāo)準(zhǔn)。同年， Elson[20]首次考慮了氣閥閥片運(yùn)動和管路壓力波動的相互影響，為精確模擬壓縮機(jī)吸、排氣口處壓力脈動情況打下基礎(chǔ)。隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值模擬的手段越來越受重視， 1976年在普渡大學(xué)召開的國際壓縮機(jī)會議上， Maclaren[21]等基于一維非定常流動理論，提出了較為完善的數(shù)學(xué)模型，建立的非線性雙曲型方程組中考慮了氣體與管道壁面的非線性摩擦問題以及管道截面變化的影響，得到與實測波形吻合程度較高的計算結(jié)果，驗證了一維非定?？蓧嚎s流動數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于氣流脈動模擬的可行性 。文中對比了特征 線法、 LaxWendroff 格式和LeapFrog格式三種算法的數(shù)值計算結(jié)果，指出特征線法比后兩種算法計算精度低，而且更容易衰減壓力波的高頻成分，但也指出特征線法是計算邊界節(jié)點信息必不可缺的方法，文中還首次采用非勻熵特征線法計算邊界節(jié)點，精度比勻熵特征線法高，該文對數(shù)值模擬氣流脈動有巨大的指導(dǎo)意義。此后，以 Sodel[22]、 Singh[23]為代表的研究人員在前人研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步取得進(jìn)展，不斷完善氣流脈動的數(shù)學(xué)模型，將已經(jīng)取得的成果推廣到結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的多氣缸大型壓縮機(jī)上。隨著理論的不斷成熟， 20世 紀(jì) 80年代以后工程界側(cè)重控制技術(shù)的研究 [2427]，并逐步形成了在石化、天然氣工業(yè)界廣泛認(rèn)可的 API618標(biāo)準(zhǔn) [28]，該標(biāo)準(zhǔn)由美國石油協(xié)會聯(lián)合會員單位共同制訂，詳細(xì)規(guī)定了石化與天然氣行業(yè)用壓縮機(jī)氣流壓力脈動幅值上限和管道振幅允許值，并約定了分析氣流脈動和管道振動的三種方法。此標(biāo)準(zhǔn)的廣泛認(rèn)可也使壓縮機(jī)制造商和用戶越來越重視氣流脈動問題，并積極開發(fā)控制技術(shù)。美國西南研究院自 2022年起，展開以聲學(xué)衰減器為突破點的新一代壓力脈動控制技術(shù) [2931]，目前已經(jīng)取得階段性的成果。 國內(nèi)是西安交通大學(xué)的黨錫淇 和陳守五教授等人最早發(fā)起氣流脈動的研究。從 1974年開始著手，他們借鑒了國外轉(zhuǎn)移矩陣法、轉(zhuǎn)移系數(shù)法和剛度矩陣法的研究成果，并進(jìn)一步發(fā)展：推導(dǎo)出各種典型管道元件的轉(zhuǎn)移矩陣 [32]，在轉(zhuǎn)移系數(shù)法中引入線性摩擦阻尼 [33]。對一維非定常流動也作了一定研究，推導(dǎo)出等截面管內(nèi)氣流的非穩(wěn)態(tài)流動控制方程組，用勻熵特征線法處理容器、突變截面、匯流點等元件聯(lián)接處，使數(shù)值計算得到簡化 [34,35]。在理論 分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量實驗研究 [36]。在深入理論研究和大量工程實踐的基礎(chǔ)上總結(jié)出壓力脈動的控制措施 [37,38]，他們的研 究成果集中體現(xiàn)在一本關(guān)于活塞式壓縮機(jī)管道氣流脈動與振動的專著上 [39]。近年來，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)一步取得進(jìn)展： 2022年，西安交通大學(xué)的彭學(xué)院教授基于平面波動理論開發(fā)出氣流脈動分析軟件，該軟件能夠計算任意復(fù)雜管系的氣柱固有頻率及各節(jié)點處壓力脈動幅值，為快速分析壓縮機(jī)管道系統(tǒng)聲學(xué)特性提供了有效工具 。2022年，李志博通過大量的實驗驗證了該軟件計算結(jié)果的可靠性 [40]。 近年來氣流脈動的研究趨勢表現(xiàn)在：以美國西南研究院為代表側(cè)重使用納維斯托克斯方程一維流動模型建立描述管道內(nèi)非穩(wěn)態(tài)氣流流動的控制方程，引入因粘性產(chǎn)生 的氣體與管道壁面的摩擦力，改變了以往一維非定常氣流方程中摩擦力靠經(jīng)驗公式計算的方式 [21]，方程同樣需要有限元或有限差分的數(shù)值方法求解 [41]，并將這種數(shù)值解法定義為時域分析法，將波動理論的解析解法定義為頻域分析法，認(rèn)為時域法比頻域法作的假設(shè)更少，計算結(jié)果更符合實際，借助時域法還可以計算出因壓力脈動造成的動態(tài)壓力損失，進(jìn)而幫助設(shè)計者改進(jìn)壓縮機(jī)整體性能。因此認(rèn)為時域法更有價值，投入了大量精力研究它的計算特性，探討提高計算精度的方法。另外也有研究人員 [42,43]使用 CFD軟件運(yùn)用三維流動理論模擬管道內(nèi)氣體的壓 力脈動，一般認(rèn)為緩沖罐、氣液分離器等三維結(jié)構(gòu)特征明顯的元件以及壓縮機(jī)吸、排氣口等復(fù)雜流道處三維方法的結(jié)果更準(zhǔn)確，西安交通大學(xué)的徐斌 [44]用 Fluent軟件在大脈動情況下獲得了比一維方法更準(zhǔn)確的結(jié)果，但也指出一維流動理論在小脈動時精度仍然很高