真空背压下多截面细径管内气体流动特性分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国工程物理研究院总体工程研究所 作者:任旭东

  采用数值模拟方法研究了真空背压下多截面细径管的气体流动问题,并结合理论和实验结果对管内气体流动特性进行了分析。研究结果表明:在初始时间段,容器压力下降较快,细径管内气体处于流动壅塞状态,壅塞状态稳定后,流速下降缓慢,使得壅塞流动状态可以持续很长时间;壅塞状态下,容器压力随时间呈对数衰减关系,容器压力越小,壅塞状态持续时间越短。同时,壅塞状态下截面突变区域出现了膨胀波和超声速环。随着容器压力的进一步下降,导管入口的流速降低以及导管长度小于临界管长,不足以使气流加速到音速,产生壅塞条件不足,导管Ⅱ内的壅塞状态率先结束,导管Ⅲ和导管Ⅰ内的壅塞现象依次消失。细径管内气体转为层流状态,容器压力下降较慢。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为数值模拟结果与实验结果吻合较好,为多截面细径管内气体流动特性分析提供依据。

  在航空航天、国防军事以及工业领域,细径管路得到了广泛的应用。因受空间限制,细径管路系统中存在多处截面过渡区域,管径变化多,形状复杂,流场速度梯度较大,粘性耗散作用明显。因此,如何提高细径管路的流动效率是一个难点。气体通过管道已经被广泛研究,高压或大气环境下,李军结合气动充放气系统的实际情况,提出一种考虑摩擦和传热的一维非定常流场方法。Jason通过对绝热气体流动和等温气体流动分析,研究了等直径管路的天然气壅塞现象,提出管道燃气在两种流动下最大流量的估算方法。刘庆堂研究了天然气流动时变径管道壅塞流动特性分析,引入临界压强比,建立了临界壅塞的判定条件,建立了壅塞流动状态下的流量计算公式。丁英涛采用实验研究和数值计算相结合的手段研究了微型喷管内气体的流动特性。低压环境下,周晓对不同真空管道阻塞比条件下高速列车车体的空气阻力进行了数值模拟,得出真空管道内阻塞比对列车空气阻力的影响规律。刘加利深入系统地研究了真空管道高速列车气动阻力特性和系统参数设计方法,研究了管道压力、阻塞比和列车速度对列车气动阻力的影响。然而通过细径管从中低压到真空环境中的流动研究甚少,目前已知仅有廖彬通过试验的手段对带细径导管的容器放气性能影响因素进行了研究,指出了容器的放气速率与气体种类、管道长度和截面尺寸、背压等因素的关系。

  本文对真空背压下多截面细径管的气体流动问题进行了数值模拟,并结合理论方法和实验结果对多截面细径管的气体流动特性进行了分析。

1、数值模型与计算方法

  放气过程中,放气容器内充入0.6MPa气体,通过不同几何尺寸的细径管排气到真空室里。实际应用中,不同尺寸的细径管通过阀门连接,使得流动情况比较复杂,进行完全数值模拟比较困难,因此对流动模型进行了简化,模型中包括容器、三段不同内径不同长度的细径管、3m×3m 的模拟真空区域,如图1所示。由于简化后的模型结构以及气体流动是轴对称的,所以将数值模拟简化为二维计算。

  数值模拟采用商业软件FLUENT,基于有限体积法对图1的模型进行数值模拟。计算域与网格划分结果如图2所示。计算初始条件为:容器内初始压力为0.6MPa,细径管与模拟真空区域的初始压力为300Pa。计算湍流模型采用标准的k-ε 湍流模型并封闭方程组,考虑到细径管内流场速度梯度较大,温度和动量方程强烈耦合,对温度和密度所用的亚松弛因子进行了亚松弛,壁面边界均采用绝热条件和无滑移边界条件。

数值模型示意图

图1 数值模型示意图

网格划分示意图

图2 网格划分示意图

3、结论

  本文对真空背压下多截面细径管的气体流动问题进行了数值模拟,并结合理论方法和实验结果对多截面细径管的气体流动特性进行了分析。主要有以下结论:

  (1)在初始时间段,容器压力下降较快,细径管内气体处于流动壅塞状态,壅塞稳定后,细径管内的流速下降缓慢,使得壅塞流动状态可以持续很长时间;壅塞状态下,容器压力随时间呈对数衰减关系,容器压力越小,壅塞状态持续时间越短,此外,壅塞状态下截面突变区域出现了膨胀波和超声速环。

  (2)导管入口的流速降低以及导管长度小于临界管长,不足以使气流加速到音速,产生壅塞条件不足,从而壅塞现象消失。

  (3)导管Ⅱ内的壅塞状态率先结束,导管Ⅲ和导管Ⅰ内的壅塞现象依次消失。这与导管的几何尺寸有关。

  (4)随着容器压力的进一步下降,细径管内气体处于层流状态,容器压力下降较慢,主要是因为气流的流速受导管截面积和长度的限制而显著降低。

  (5)数值模拟结果与实验结果吻合较好,为多截面细径管内气体流动特性分析提供依据。

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