CFD模擬在某大空間抽真空充氣過程中的應(yīng)用

潘欣鈺

中船第九設(shè)計研究院工程有限公司

大空間抽真空后，利用大氣壓自然充氣的過程在工業(yè)實驗室工程中得到廣泛的應(yīng)用。在設(shè)計該類項目的管路系統(tǒng)時，因為管徑的選取關(guān)系到風(fēng)管入口外的風(fēng)速分布以及整個充氣工程所需的時間能否滿足工藝的要求，所以確定一個合理的管徑是非常重要的。由于此類充氣過程時間計算涉及到管路系統(tǒng)氣動特性，往往需要經(jīng)過實驗才能得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而帶入經(jīng)驗公式計算[1]，因此一般的工程設(shè)計中較難實現(xiàn)。本文通過CFD模擬技術(shù)，先得到了風(fēng)管入口處的風(fēng)速分布，從而確認(rèn)入口鄰近區(qū)域是否會存在風(fēng)速過大，影響機(jī)器或工人安全的區(qū)域。還得到了充氣工況下，風(fēng)管中的速度分布情況，并將其作為后續(xù)編制充氣時間計算程序中氣體狀態(tài)方程質(zhì)量流量計算的邊界條件。

1 DN800管道進(jìn)口處速度場模擬

本工程中的大空間體積為80000 m3，通過真空泵將其抽至20000 Pa，此時打開管路上的閥門，利用大氣壓自然充氣至大空間室內(nèi)壓力也為101325 Pa為止。根據(jù)氣體動壓的計算公式[2]，此時入口處的軸心風(fēng)速可按式1估算：

式中：△P為壓差，此處取大氣壓與抽真空后室內(nèi)壓力之差81325 Pa；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3。

根據(jù)計算剛打開閥門時，風(fēng)管入口處的軸心風(fēng)速可達(dá)368 m/s，該數(shù)值超過了音速，因此有必要檢驗入口外的風(fēng)速分布情況，以此確定附近存在威脅人員或設(shè)備安全的風(fēng)速過高區(qū)域。

本文采用CFD軟件計算風(fēng)管入口處的風(fēng)速場分布。先將該研究對象簡化為一個兩維對稱問題，并將其劃分計算區(qū)域如圖1所示：

圖1 充氣問題對稱2D網(wǎng)格劃分簡化模型

整個計算域分為三個部分，分別是室外大氣壓區(qū)域、風(fēng)管區(qū)域和室內(nèi)區(qū)域。由于風(fēng)管中的風(fēng)速梯度比較大，因此在劃分網(wǎng)格時將風(fēng)管附近區(qū)域進(jìn)行了加密，網(wǎng)格數(shù)一共為27360個結(jié)構(gòu)化單元。另外，根據(jù)工程實際參數(shù)，本次計算的邊界條件為計算域左端為壓力入口，設(shè)定值為101325 Pa，計算域右端為壓力出口，設(shè)定值為20000 Pa。

將設(shè)定好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到CFD模擬軟件中，檢查網(wǎng)格無誤，并設(shè)置湍流模型為k-ε兩方程模型，使用絕對壓力的表示方法，設(shè)置兩個壓力邊界條件，其它的為壁面條件，經(jīng)過迭代計算，可以得出速度場分布如圖2所示：

圖2 風(fēng)管入口處的速度場分布

使用散點(diǎn)圖的作圖方式還可以方便地得到離開風(fēng)管入口中心的水平距離與風(fēng)速的關(guān)系，如圖3所示：

圖3 風(fēng)管入口處的速度場分布

圖3中，顯示了風(fēng)管入口中心向室外的距離與風(fēng)速大小的關(guān)系，可以看到當(dāng)水平軸心距離達(dá)到20 m時，風(fēng)速降至20.19 m/s。根據(jù)相關(guān)風(fēng)速對人體影響的研究[3]，當(dāng)蒲福風(fēng)級達(dá)到8級（烈風(fēng)）時，也就是風(fēng)速為20.8～24.4 m/s，人將會徹底無法行走，而當(dāng)蒲福風(fēng)級為7級（大風(fēng)）時，也就是風(fēng)速為17.2～20.7 m/s，此時對人的行走有阻礙作用，保持平衡比較困難，但還不至于發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。因此，在風(fēng)管回氣時，應(yīng)該禁止人員在離墻20 m處活動。并且需要加設(shè)安全圍欄，對20 m以內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行加固處理，以免產(chǎn)生安全事故或損壞設(shè)備。

2 風(fēng)管速度衰減程度模擬

為了計算該空間的充氣時間，先需要知道風(fēng)管空氣的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)管面積即可求得相應(yīng)的流量。隨著室外氣體充入室內(nèi)，室內(nèi)的氣體質(zhì)量會逐漸增加，而室內(nèi)的體積是一個定量，因此根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程就可以求得此時室內(nèi)的氣體壓力，將室內(nèi)的壓力與大氣壓力101325 Pa進(jìn)行對比，直到兩者的殘差達(dá)到0.1 Pa時，即認(rèn)為充氣過程已經(jīng)基本完成，此時將計算的時間步長乘以迭代次數(shù)就可以得到相應(yīng)的充氣時間。其計算程序的邏輯步驟如圖4所示：

圖4 充氣時間計算邏輯

可以看到整個計算過程，先需要獲得風(fēng)管出口平均速度和軸心風(fēng)速之比，也就是計算邏輯中的第一和第二步，而這也恰恰是通過經(jīng)驗公式無法計算的。基于以上原因，本文采用CFD模擬方法將大空間簡化成一個兩維對稱問題進(jìn)行計算。為了得到室內(nèi)不同壓力工況下的風(fēng)管出口平均速度與軸心風(fēng)速之比，本模擬設(shè)置了室內(nèi)壓力 90000 Pa，80000Pa，70000 Pa，60000 Pa，50000 Pa，40000 Pa，30000 Pa，20000 Pa 等共 8 種情況，通過后處理可以得到由動壓方程計算出的軸心速度和風(fēng)管出口斷面上的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的速度衰減系數(shù)，如表1所示：

表1 軸心風(fēng)速與出口平均風(fēng)速對比

由此，在充氣時間計算中，用于計算氣體質(zhì)量流量的速度衰減系數(shù)即可取多工況下的平均值，即速度衰減系數(shù)取0.781。

3 充氣時間程序編制與計算結(jié)果

根據(jù)上述的充氣時間計算路線，和業(yè)主方需要用兩根管徑相同的風(fēng)管在30分鐘內(nèi)完成充氣過程的工藝要求。使用C#語言編制計算程序[4]，實現(xiàn)在用戶輸入管徑，計算時間步長和速度衰減系數(shù)的前提下，輸出相應(yīng)每個時間步長的室內(nèi)壓力、流入氣體質(zhì)量等相關(guān)數(shù)據(jù)，并給出充氣過程所需的時間。

圖5 程序初始設(shè)置界面

程序中涉及的變量例舉如下：t為時間，outPressure為室外大氣壓，inPressure為室內(nèi)壓力，diameter為直徑，deltaT為計算的時間步長，x為表3.1中所求的速度衰減系數(shù)，取值為0.781。程序運(yùn)行界面如圖5和圖6所示：

圖6 程序結(jié)果顯示界面

分別設(shè)置管徑0.4 m和0.35 m兩種情況，時間步長為1 s，即1 s進(jìn)行一次迭代計算，速度衰減系數(shù)取0.781。計算程序結(jié)果為：兩根直徑0.4 m的圓管能夠在30.93 min內(nèi)完成充氣，而兩根直徑0.35 m的圓管則需40.42 min。因此選擇兩根直徑0.4 m的圓管作為本工程的充氣管路。室內(nèi)壓力隨著充氣時間的變化如圖7所示：

圖7 室內(nèi)壓力隨充氣時間的變化

4 實驗與結(jié)論

本工程在管路系統(tǒng)安裝完畢之后，進(jìn)行了充氣運(yùn)行。利用一根直徑0.4 m的圓管用時60 min完成了80000 m3大空間的大氣壓自然回氣過程，與簡化模擬計算方法所得到的結(jié)果十分相近。因此，本文所提供的模擬和計算方法能夠較好地預(yù)測利用大氣壓自然充氣過程所需的時間，為該類設(shè)計提供了簡化的算法。