高壓氣瓶快速放氣的動態(tài)特性研究

齊 超*

（西安航天動力研究所）

0 前言

高壓氣瓶的快速放氣過程廣泛存在于能源、化工、航天等領域[1-4]。在高壓氫氣儲運過程中，高壓氣瓶內氫氣的快速充放過程對系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟性有著重要的影響。在火箭和航天飛行器的冷氣分離系統(tǒng)中，高壓氣體往往儲存在高壓氣瓶中，當氣體工作時，需先打開閥門，高壓氣體快速排放到低壓容腔內，為分離提供驅動力；高壓氣瓶的放氣速率對分離系統(tǒng)的安全性和可靠性有著重要影響。

高壓氣瓶快速放氣過程中的動態(tài)特性，特別是低壓容腔和高壓氣瓶內的壓力變化情況是上述系統(tǒng)設計的重要基礎。而高壓氣瓶的快速放氣過程為非線性問題，傳統(tǒng)的理論分析和數(shù)值模擬均有一定的局限性[5-7]。本文對高壓氣瓶快速放氣過程進行了分析，基于物理過程進行了部分簡化，建立了理論模型，推導了放氣過程中高壓氣瓶和低壓容腔內的壓力變化情況；同時開展了驗證試驗，對理論模型進行了驗證。最后基于理論模型對高壓氣瓶快速放氣的動態(tài)特性進行了分析。

1 理論模型

高壓氣瓶快速放氣系統(tǒng)如圖1 所示，高壓氣瓶中預先充入高壓氣體，低壓容腔內為真空或常壓狀態(tài)，兩者通過管路連接，當控制系統(tǒng)下發(fā)放氣指令時，連接管路上的閥門打開，高壓氣體通過管路快速填充到低壓容腔中，完成放氣過程。放氣過程中高壓氣瓶內的氣體溫度、壓力、密度分別為T1、p1、ρ1；低壓容腔內的氣體溫度、壓力、密度分別為T2、p2、ρ2；高壓氣瓶容積為V1，低壓容腔容積為V2。

高壓氣瓶和低壓容腔內的溫度、壓力、密度等參數(shù)均隨時間變化，給定閥門打開時刻為0 s。已知初始狀態(tài)的各項參數(shù)，包括高壓氣瓶初始溫度T1（0）、高壓氣瓶初始壓力p1（0）、高壓氣瓶內氣體初始密度ρ1（0）和低壓容腔初始溫度T2（0）、低壓容腔初始壓力p2（0）、低壓容腔內氣體初始密度ρ2（0）。

圖1 高壓氣瓶快速放氣系統(tǒng)示意圖

由連續(xù)方程可知，在放氣過程中，高壓氣瓶與低壓容腔內氣體的質量總量保持恒定（由于管路容積很小，可忽略管路中的氣體質量），即：

式中：t——時間；

ρ1（t）——高壓氣瓶內氣體密度；

ρ2（t）——低壓容腔內氣體密度。

放氣過程中將氣體按照理想氣體進行處理，即：

式中：p——氣體壓力；

ρ——氣體密度；

Rg——氣體常數(shù)；

T——氣體溫度。

將式（2）代入式（1）中，得：

忽略放氣過程中的氣體溫度變化，即放氣前后高壓氣瓶和低壓容腔內的氣體溫度保持一致，即T1（t）=T2（t）=T，則：

式中：p1（0）、p2（0）、V1、V2——均為常數(shù)。

因此，式（4）可簡化為：

式中：A、B——均為正常數(shù)。

高壓氣瓶向低壓容腔的放氣過程是由兩側壓差驅動的，假設管路系統(tǒng)（包括閥門等）的流動系數(shù)為ξ，則：

式中：m2（t）——低壓容腔內氣體的質量。

由于快速放氣過程中的時間很短，壓差變化非常大，因此假設流動系數(shù)在放氣過程中的變化可以忽略，即流動系數(shù)ξ為常數(shù)。由理想氣體狀態(tài)方程可知：

將式（7）和式（5）代入式（6）可得：

整理后可得：

解微分方程式（9）后可得：

式中：C——正常數(shù)。

式（10）可進一步簡化為：

式中：D1、D2、D3——均為正常數(shù)。

結合初值條件，各項系數(shù)分別表示如下：

結合式（5）、式（11）和式（12）可以進一步推導出高壓氣瓶內的壓力變化情況。

2 試驗驗證

為了分析高壓氣瓶快速放氣過程的動態(tài)特性，開展了以氮氣為介質的放氣試驗，試驗系統(tǒng)如圖2 所示。試驗系統(tǒng)主要由氣源、高壓氣瓶、低壓容腔、系統(tǒng)管路、閥門、壓力、溫度傳感器及數(shù)據(jù)采集設備等構成。

2 臺壓力傳感器分別用于測量高壓氣瓶內壓力和低壓容腔內壓力，量程分別為0～30 MPa 和0～0.4 MPa，精度均為0.5%；溫度傳感器用來測量氣瓶表面、容腔內部和表面溫度，溫度傳感器均為T 型熱電偶，熱電偶的測溫范圍為-50～100 ℃，精度為1%。

圖2 試驗系統(tǒng)示意圖

試驗過程如下：（1）通過高壓氣源向高壓氣瓶內充氣至要求值p1（0），待氣瓶內壓力穩(wěn)定后再補氣至p1（0）；（2）通過高壓電磁閥打開高壓氣瓶與低壓容腔間的管路，開始快速放氣試驗；（3）在試驗過程中采集并記錄溫度、壓力相關數(shù)據(jù)，待系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后結束試驗。

圖3 所示為低壓容腔內壓力在高壓氣瓶快速放氣過程的變化。低壓容腔內初始壓力為當?shù)卮髿鈮海?.094 MPa）；高壓電磁閥打開后，高壓氣瓶內的氣體快速充入低壓容腔，腔內壓力迅速提高，當閥門打開時間達到3 s 左右時，腔內壓力基本穩(wěn)定，此時高壓氣瓶與低壓腔內壓力基本相等，不再有氣體流入和流出。

圖3 低壓容腔內壓力變化

試驗的各項參數(shù)見表1。結合表1 可以計算得到式（11）中的各項系數(shù)，其中D1、D2可以通過初始參數(shù)和容積比直接計算，D3中的流量系數(shù)ξ可以通過試驗前后參數(shù)來計算平均值；上述3 個系數(shù)確定之后就得到了低壓容腔內的壓力隨時間變化函數(shù)：

表1 試驗參數(shù)

低壓容腔壓力變化的計算結果與試驗結果的對比情況如圖4 所示。從圖4 可以看出，計算結果與試驗結果的吻合較好，平均偏差為0.8%。驗證了理論模型的準確性和簡化假設的合理性。

圖4 計算結果與試驗結果對比

3 動態(tài)特性分析

低壓容腔內的壓力變化如式（11）～式（12）所示。方程中的常數(shù)D1和D2僅與高壓氣瓶和低壓容腔的容積、初始狀態(tài)有關；系數(shù)D3還與系統(tǒng)的流量系數(shù)，即系統(tǒng)流阻（由管路、閥門以及接口的具體結構決定）相關。

從方程結構和物理過程分析可知，放氣過程為典型的慣性過程，隨著時間的推移，高壓氣瓶內壓力迅速降低、低壓容腔內的壓力逐漸提高，兩容器間壓差即驅動力逐漸減小，因此低壓容腔內的壓力增長迅速放緩，最終穩(wěn)定在平衡狀態(tài)，即：

通過式（11）可以看出，當D1增大、D2減小、D3增大時，相同閥門打開一定時間時，低壓容腔壓力提高，即放氣速率提高；結合式（12）分析，當初始參數(shù)確定時，提高流動系數(shù)ξ，即減小系統(tǒng)流阻（增加管路直徑、減小閥門節(jié)流等）能夠顯著提高放氣速率。另一方面，可以結合系統(tǒng)要求，通過在連接管路設置減壓閥、節(jié)流圈等方式來控制放氣速率。

4 結論

本文針對高壓氣瓶快速放氣過程，基于實際物理過程和部分簡化條件建立了理論模型，推導了高壓氣瓶和低壓容腔內壓力變化方程；理論模型計算結果與驗證試驗結果吻合較好，平均偏差為0.8%。低壓容腔的壓力變化呈現(xiàn)出慣性環(huán)節(jié)特征，閥門打開時容腔內壓力迅速提高，隨著時間增加，壓力增長逐漸放緩最終趨于平衡壓力。系統(tǒng)流動系數(shù)對系統(tǒng)壓力、放氣速率存在顯著影響，當系統(tǒng)管路直徑增大、閥門節(jié)流減小時，系統(tǒng)流阻減小，流動系數(shù)提高，系統(tǒng)的放氣速率顯著提高。