【正文】 元件的聯(lián)接處，流動(dòng)條件發(fā)生變化，必須用特征線法處理才能計(jì)算出聯(lián)接處的參數(shù)，使下游管路的計(jì)算得以繼續(xù)進(jìn)行。 等截面管內(nèi)部使用 LaxWendroff差分格式，這種算法易于開發(fā)通用性高的子程序，不同的管段只需單獨(dú)調(diào)用。 程序是按結(jié)構(gòu)離散化思想設(shè)計(jì)的，因此使用程序計(jì)算實(shí)際的管路時(shí)，也要對管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理，即將一個(gè)復(fù)雜的管道系統(tǒng)根據(jù)管道元件的屬性劃分為如等截面管、突變截面、容器、孔板等元件。 實(shí)驗(yàn)臺(tái)壓縮機(jī)排氣經(jīng)氣閥安裝孔和閥腔流出氣缸體，氣閥安裝孔很短，閥腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于是一維網(wǎng)格劃分，因此要對這部分結(jié)構(gòu)作簡化處理：氣閥安裝孔和閥腔都折合成一段直管，內(nèi)徑和氣缸法蘭連接管相同，折合直管的容積等于氣閥安裝孔與閥腔體積之和。管段 CD長度為 、內(nèi)徑為 。min 1，進(jìn)氣壓力 (絕對壓力 )，測點(diǎn) 1壓閥蓋處壓力傳感器最靠近氣缸排氣口，將其所測動(dòng)態(tài)壓力的平均值作為氣缸排氣壓力，實(shí)測為 (絕對壓力 )，則壓縮機(jī)壓比為 。給定計(jì)算管路的開始端點(diǎn)為壓縮機(jī)排氣端邊界，轉(zhuǎn)速和壓比為實(shí)測值。并將此壓力作為初值賦給計(jì)算管路各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)研究 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容 實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕球?yàn)證一維非定常可壓縮流體流動(dòng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于氣流脈動(dòng)分析的準(zhǔn)確性以及數(shù)值計(jì)算的精度，對比計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)模型中需要改進(jìn)之處。 本文在一臺(tái)雙作用活塞式壓縮機(jī)二級排氣管道上測取動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)：測量管道系統(tǒng)不同位置處的動(dòng)態(tài)壓力，觀察改變?yōu)V波頻率對波形和最大脈動(dòng)幅值的影響，保存不同濾波頻率的采樣數(shù)據(jù)。圖 32是壓縮機(jī)二級排氣管路結(jié)構(gòu)簡圖，壓縮機(jī)二級排氣通過一段短管進(jìn)入緩沖罐 I，再經(jīng)一段較長的管道 CD 進(jìn)入一個(gè)很大的儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐 II 排氣口有閥門，調(diào)節(jié)其開度改變管路壓力，以達(dá)到需要的壓力運(yùn)行工況。管道 AB 由氣缸排氣口即排氣閥處開始，到排氣緩沖罐 I進(jìn)口處結(jié)束，管道 CD 從緩沖罐 I出口到緩沖罐 II進(jìn)口。氣流脈動(dòng)的激發(fā)源是一臺(tái)大氣量的空氣壓縮機(jī)，其技術(shù)規(guī)格如表 31所示。它們的位置分別在： 1壓閥蓋 (閥腔處 )， 2氣缸法蘭， 3緩沖罐進(jìn)口， 4緩沖出口， 5彎管出口， 6管道 CD中間。各位置處的壓力物理信號首先由壓力傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺俳?jīng)高速數(shù)據(jù)采集卡處理后，最后通過計(jì)算機(jī)屏幕顯示出動(dòng)態(tài)壓力波形。傳感器的量程和強(qiáng)度必須適應(yīng)壓力值，脈動(dòng)壓力的測量精度要求特殊設(shè)計(jì)的傳感器，這種傳感器要具備以下特點(diǎn) [36]： (1) 測量范圍適合管道內(nèi)氣流的 平均壓力值 。 (3) 較高的靈敏度 。 (5) 對被測介質(zhì)及溫度不敏感 。 所以本實(shí)驗(yàn)脈動(dòng)壓力的測量采用了 XTL190M7BARSG 超小型壓力傳感器，圖 34是傳感器的實(shí)物照片。另外它的結(jié)構(gòu)非常緊湊，小型化程度很高，傳感器的信號可以用較長的電纜傳輸。此外由于傳感器工作元件變形很小，所以具有較高的靈敏度和固有頻率而非常適合本文實(shí)驗(yàn)需要的高精度測量。 2)信號采集系統(tǒng) 壓力脈動(dòng)的測量要求能檢測到細(xì)微的電壓變化并保證采集到足夠的點(diǎn)，以完整的反映壓力脈動(dòng)實(shí)際波形。s 1，輸入阻抗高達(dá) 100 ，保證了干擾電流不會(huì)干擾輸入信號，可以實(shí)時(shí)有效的采集管道內(nèi)氣流壓力脈動(dòng)的動(dòng)態(tài)信號。如圖 35所示是數(shù)據(jù)采集軟件的主界面，軟件可以控制數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)信號采集、動(dòng)態(tài)顯示和保存等功能，以完成壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理任務(wù)。 標(biāo)準(zhǔn)壓力表的精度等級為 ，量程是 ，其本身精度導(dǎo)致的絕對誤差為 MPa，標(biāo)定最大壓力為 ，所以其測量最大相對誤差為： 本實(shí)驗(yàn)用到的標(biāo)準(zhǔn)壓力表分辨率是 ，所以由人為讀數(shù)導(dǎo)致的絕對誤差 =，引起的相對誤差為： 根據(jù)誤差的合成公式： 可知最大標(biāo)定誤差是 %。本實(shí)驗(yàn)中 XTL190M7BARSG傳感器的非線性誤差 %。 排氣管路內(nèi)氣體的溫度不同于標(biāo)定時(shí)的溫度，溫度的差異將導(dǎo)致測量誤差： ，溫度影響系數(shù) PCI6220型數(shù)據(jù)采集卡輸入精度為 16 位，所以系統(tǒng)誤差 為 %。 測量時(shí)總的誤差包括標(biāo)定誤差和壓力傳感器測量誤差，則本實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)的總誤差為： 結(jié)果分析與討論 氣流脈動(dòng)是一種復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)現(xiàn)象，為研究它的特性，前面章節(jié)已建立起描述管道內(nèi)氣流脈動(dòng)的控制方程。通過對比波動(dòng)理論和非定常方法的計(jì)算結(jié)果，分析兩種方法在預(yù)測氣流脈動(dòng)波形和幅值上的差異以及引起差異的原因 。 與平面波動(dòng)理論計(jì)算結(jié)果及實(shí)測結(jié)果對比 平面波動(dòng)理論和非定常方法都是基于一維流體流動(dòng)建立的數(shù)學(xué)模型。所以有必要對比兩種方法計(jì)算結(jié)果，認(rèn)識兩種方法在壓力脈動(dòng)波形和幅值預(yù)測上的差異。如圖 41所示是三種方法的壓力脈動(dòng)波形圖，在排氣緩沖罐前的管路 AB和排氣緩沖罐之后的管路 CD 上各選取了兩個(gè)測點(diǎn)對比，測點(diǎn) 2處波動(dòng)理論和非定常方法計(jì)算波形與實(shí)測波形差異都很大，高頻波更多，波動(dòng)理論計(jì)算波形雙作用排氣激發(fā)的壓力脈沖不明顯。 綜合 4個(gè)測點(diǎn)波形的對比，波動(dòng)理論計(jì)算波形更光滑，這是因?yàn)椴▌?dòng)方程忽 略了非線性因素，方程中的非線性項(xiàng)修飾了波形的細(xì)節(jié)。三種方法最大壓力脈動(dòng)幅值如表 41所示，單從數(shù)值上看，測點(diǎn) 6波動(dòng)理論脈動(dòng)幅值比非定常方法更接近實(shí)測值，但這并不能下結(jié)論認(rèn)為波動(dòng)理論比非定常方法準(zhǔn)確度高，前面的壓力脈動(dòng)波形對比已經(jīng)指出非定常方法計(jì)算的波形與實(shí)測值吻合程度更高。說明雖然阻尼處理方 式不同，但不是波動(dòng)理論和非定常方法計(jì)算脈動(dòng)幅值差異的原因。網(wǎng)格稀疏將導(dǎo)致壓力波的高頻成分在計(jì)算過程中被衰減，最后得到的波形比較光滑。計(jì)算中給定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為 一般需要考慮此頻率前 8階的波成分，網(wǎng)格要保證此頻率范圍內(nèi)的波成分不被衰減。根據(jù)穩(wěn)定性條件，才能獲得收斂解，能得到精確解，一般要求 接近 1，但要求初值光滑 [58]，因此計(jì)算時(shí)各節(jié)點(diǎn)初始壓力直接給定為管路平均壓力。實(shí)際的管路模型上述條件有變化，而且本文用特征線法處理邊界， LaxWendroff格式計(jì)算管道內(nèi)部節(jié)點(diǎn)參數(shù)，對波長比的要求更高，因此有必要探討網(wǎng)格劃分對壓力脈動(dòng)波形的影響。s 1，對應(yīng)排氣頻率的波長為 。下面給出不同網(wǎng)格長度壓力脈動(dòng)計(jì)算結(jié)果。 1)網(wǎng)格長度 ，管道 AB 節(jié)點(diǎn)數(shù) 5，管道 CD 節(jié)點(diǎn)數(shù) 51。 根據(jù)波長比 的條件，網(wǎng)格長度為 時(shí)，理論上低于 55Hz的壓力波不會(huì)被 衰減，壓力傳感器所測信號的低通濾波頻率也應(yīng)該在此頻率附近，結(jié)果才有可比性。如圖 42所示是 6個(gè)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)波形計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果的對比。最大相對壓力脈動(dòng)幅值均遠(yuǎn)大于實(shí)測值。這三個(gè)測點(diǎn)的波形都可以明顯看出壓力脈動(dòng)波是由氣缸雙作用排氣激發(fā)的。 在此網(wǎng)格長度下，曲軸旋轉(zhuǎn)一周計(jì)算了 692個(gè)時(shí)間步。 如圖 43所示，緩沖罐之前管道 AB上的三個(gè)測點(diǎn)，即測點(diǎn) 3的壓力脈動(dòng)波形與實(shí)測值差別較大，計(jì)算壓力脈動(dòng)幅值也都高于實(shí)測值 。 3)網(wǎng)格長度 ，管道 AB 節(jié)點(diǎn)數(shù) 21，管道 CD 節(jié)點(diǎn)數(shù) 計(jì)算在曲軸旋轉(zhuǎn)的第 7個(gè)周期達(dá)到精度，最后一周期曲軸一轉(zhuǎn)進(jìn)行了 1404 個(gè)時(shí)間步。測點(diǎn) 3壓力脈動(dòng)波形計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果差異仍然很大，計(jì)算的高頻成分壓力波更多，而且脈動(dòng)幅值均高于實(shí)測值。精確預(yù)測出 波形上的微小差別是非常困難的：描述氣流脈動(dòng)這種復(fù)雜非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)現(xiàn)象的控制方程包含一些假設(shè)，數(shù)值解是近似解，實(shí)驗(yàn)中對壓力波的采樣不可能做到無限多，實(shí)驗(yàn)有一定的誤差、濾波并非完全理想。也表明了即使對氣閥安裝孔和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的閥腔等非等截面管道元件作簡化處理后，遠(yuǎn)離它們的下游管路壓力脈動(dòng)波仍然可以用一維非定常數(shù)學(xué)模型較準(zhǔn)確的模擬出。最大相對壓力脈動(dòng)幅值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值的對比也表明長管道 CD上的計(jì)算結(jié)果精度更高。 以上三種計(jì)算表明網(wǎng)格越密，計(jì)算出的高頻壓力波成分越多，與實(shí)測結(jié)果對比時(shí)應(yīng)根據(jù)網(wǎng)格長度調(diào)整采集數(shù)據(jù)的濾波，兩者結(jié)果才有可比性。綜合以上計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)論：對于較長的等截面管道，一維非定常氣流流動(dòng)模型能夠精確的模擬出壓力脈動(dòng)波形，作簡化處理的局部管路計(jì)算精度會(huì)降低，但遠(yuǎn)離簡化管路的管道仍然有較高的精度。 3測點(diǎn)脈動(dòng)幅值偏大，說明數(shù)學(xué)模型中還有未考慮到的因素影響了結(jié)果，而且導(dǎo)致計(jì)算值偏大。