緩沖器內部流場模擬分析

趙敬群，劉 旭，余 波

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽110869）

1 引言

在石油化工領域，往復壓縮機被廣泛應用，由于自身工作原理及結構限制，其最大特點就是在氣缸進出口處具有氣體脈動，為減少氣體脈動對管路及后段工藝設備的影響，通常情況下，在氣缸出口處設置一種壓力容器用于抑制氣體脈動，此容器稱為緩沖器，主要工作原理為增加氣體的流動空間，降低流速，從而減弱氣體的脈動作用。通常情況下結構比較簡單，為一空心的罐子，依據API標準要求，具有一定的緩沖容積，即可以達到理想的氣體脈動抑制效果，本文針對緩沖器內部氣體的流場進行了模擬分析，以進一步總結掌握緩沖器的緩沖效果。

Fluent商用程序可以模擬許多的工程實際問題，包括可壓縮、不可壓縮流動，牛頓流體、非牛頓流體，單相、多相流動，有旋、無旋流動，慣性坐標系、非慣性坐標系下的流動，有化學反應、無化學反應的流動問題等。其生成無結構網格的程序把計算復雜幾何條件下的流動及傳熱傳質問題變的簡單。同時，軟件還提供了許多的湍流模型、壁面處理及燃燒、傳熱模型供針對特定問題選擇。用戶自定義函數也為改進和完善模型，處理個性化問題和給出更合理的邊界條件提供了可能。

2 結構參數及建模

本文主要模擬的是某往復壓縮機的排氣緩沖罐，工作壓力16.8 MPa(G)，筒體內徑Φ=700 mm，進氣口內徑Dinlet=132 mm，出氣口內徑Doutlet=86 mm，結構簡圖見圖1。選取內部氣體流動的空腔部分建模，并進行網格劃分，如圖2所示。

圖1

圖2

3 流場分析

3.1 確定雷諾數

在工作壓力16.8（G） MPa，工作溫度116℃狀態下，純氫介質密度大概為10.69 kg/m3，入口平均氣速10 m/s，筒體內部氣體流速大概為1.89 m/s，查表得粘度為 11.52 μPa·s，緩沖器內部Re=ρvL/μ=1.23×106＞8000；確定為湍流。

圖3

圖4

圖5

表1 氫氣在不同壓力下的粘度

3.2 參數設置

選定非定常流體，指定介質組分為H2，并且選用Standard k-ε進行模擬，默認參數設置。

施加邊界條件：

根據inlet入口脈動特點，編寫正弦速度入口的UDF：

圖6

出口采用outflow邊界條件。

默認松弛因子。

運行分析后，部分時間節點的狀態圖如圖3～6所示。

3.3 后處理界面

工藝氣體在緩沖器內部瞬態的流動軌跡及速度矢量圖如圖7～8。

緩沖器進出口各項狀態參數曲線如圖9～14所示。

4 運算結果分析

對比緩沖器進出口狀態曲線，表明工藝氣體經過緩沖器后，壓力、速度以及動能都有所改變：

壓力——振幅未有所改變，但是總體頻率發生變化，明顯增加；

速度——緩沖器入口條件設置的是0～20 m/s的正弦速度的入口邊界條件，而狀態曲線顯示的振幅為0～18 m/s，部分時間點趨近與40 m/s；出口速度，由于流通面積減小，所以速度值提升，但是總體平均速度比較穩定；

動能——出口相對于入口，能量振幅變化不大，但是頻率明顯增加。

參考ISO13707-2000第12章中，近似設計方法2、3設計公式

圖7 瞬態運動軌跡

圖8 瞬態速度矢量圖

圖9 入口壓力

圖10 出口壓力

圖11 入口速度

圖12 出口速度

圖13 入口動能

圖14 出口動能

式中po——管道中的平均壓力，bar

ID——緩沖器后換到中的管子內徑，mm

f——脈動頻率，Hz

同時根據牛頓定律的推導公式

可以看出，脈動頻率的提高，對振動的影響將以平方數量級減弱。進而可以總結推論出：工藝氣體經過緩沖器后頻率的明顯增加，相應的管道中的振動影響會大大降低，也就是很大程度上保證緩沖器后續工藝管線和設備的安全運行。

5 總結

通過對工藝氣體流場本身的模擬分析，直觀的顯示了氣體狀態的變化，并反映了工藝氣體在緩沖器內部的不同位置的各項參數；

為采用流固耦合方法模擬分析緩沖器的振動，進而降低緩沖器的質量和成本問題奠定了部分基礎；模擬分析數據與實際情況還有一定差距，在后續工作研究中有待進一步進行經驗性的總結與提高。

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