高壓高速氣流下接口流量分配研究

趙 燈，呂 達，王升德，時瑞超，周耀兵*

（武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430000）

引言

復雜系統的動力源一般僅設有一個高壓氣源，利用三通/四通等接口實現了對主路流量進行分流，而后通過加壓/降壓等手段滿足各個子系統的壓強需求。但在實際管路系統中不同接口形式可能導致不同支管所處地位不一樣，從而導致高壓氣流在不同支管中流量將有所差異[1]。

由于實際工作過程中管路內存在壓力損失，這導致不同接口處氣壓、流速等流場典型特性存在差異，在一定程度上會引起接口下游支管流量分配發生變化[2-3]。隨著對系統運轉的可靠性和穩定性要求日益增高，這必然對管路系統的設計提出了更高的要求，從而保障系統功能，例如通過合理的管理設計，均壓系統就能夠更有效率地實現在加壓過程中多區域封閉空間的壓差控制[4-5]。

1 仿真模型描述

為了提高注氣效率，并保證各區域壓差要求，在多區域系統中一般會增設多個支管，同時對多個區域進行加壓。常用的接口類型見圖1 所示，其中接口1和接口2 屬于三通接口，兩者的區別在于主管所處位置不同，接口3 屬于四通接口。

在大流量高速氣流中，考慮到氣體可壓縮性，接口類型的不同會引起不同支管間流量具有一定的差異。如果接口1 中兩個支流管徑保持相同，該結構具有一定的對稱性，若忽略支管下游壓強差異不明顯，此時流量會近似均勻分配，此時管徑為影響流量分配的最主要因素。

因此本文結合某海上平臺管路系統，控制壓力源與接口位置為5 m，支管長度為1 m，支管末端出口氣壓為大氣壓，重點研究了支管等管徑條件下壓力源氣壓、管徑對接口2 和接口3 流量分配的影響。

1.1 三通接口2

本文選用管路系統設計過程中常見的三種管徑（DN20、DN32、DN40），研究了不同壓力源條件下接口2 的流量分配規律。圖2 展示了不同管徑下氣源壓力對垂直支管流量分配的影響。

如圖2 所示，可以明顯看出隨著管徑的增大，垂直支管流量分配比例會明顯降低，當管徑從40 mm降低至20 mm 時，垂直支管流量所占比例從40.0%左右降低至32.8%左右。若保持氣源壓力保持恒定的條件下增大管路管徑，能夠增大管路中氣流流量，同時在一定程度上也會增加主路中氣體流速，必然使得支管流量占比降低。

若保持管徑不變，逐漸增大氣源壓力，垂直支管流量占比會呈現先增大后降低，最終保持穩定的趨勢，且占比變化幅度會隨著管徑的增加而減弱。

1.2 四通接口3

本文同樣選用DN20、DN32、DN40 三種管徑研究了不同壓力源條件下接口3 的流量分配規律。不同管徑下氣源壓力對垂直支管流量分配的影響見圖3 所示。

如圖3 所示，在保持壓強不變的前提下，管徑的增加能夠引起垂直支管流量比例降低，其影響權重遠高于氣源壓力對流量分配的影響。改變氣源壓力(0.2→7 MPa)，垂直支管流量占比變化幅度可低于1%，而管徑的變化使得垂直支管流量占比產生2%以上的改變。

與圖2 相比，若保持管徑和氣源壓力不變，垂直支管流量比例具有適當的降低，但四通接口垂直支管數目有所增加，使得下游水平主路的流量占比大幅度降低。

2 多級組合接口

在實際復雜管路系統中為多個區域體同時提供氣壓時，多個三通接口組合使用屬于常用處理手段。本節將以圖4 所示的兩個三通接口組合模型，研究了組合接口對流量分配的影響。如圖4 所示，在兩種組合接口中，氣源與第一個三通聯接位置存在差異。氣源與第一個接口間距保持5 m，兩個三通之間間距保持1 m，各支管長度保持1 m。

2.1 組合接口1

本節同樣選用DN20、DN32、DN40 三種管徑研究了不同壓力源條件下組合接口1 的流量分配規律。不同管徑下氣源壓力對垂直支管流量分配的影響見圖5所示。

與圖2、圖3 相比，管徑、氣源壓力對兩個接口處流量分配的影響規律均相近。如圖5(a)所示，在保持壓強和管徑相同的前提下，組合接口中第一個接口處垂直支管流量占比會存在一定的降低。

如若以圖5(a)和圖2 的流量占比的相對值用于表征第一個垂直支管出流量占比的減幅，則減幅程度見圖6 所示。

如圖6(a)所示，隨著管徑的增加，第一個接口垂直支管流量分配減幅大幅度降低，管徑從20 mm 增加至40 mm 時，平均流量占比減幅從22.8%降低至14.7%左右。但與管徑變化相比，氣源壓力的改變對流量占比減幅影響權重較弱。如圖6(b)所示，第二個三通處垂直支管的流量占比幾乎無影響，減幅低于2.5%。而且管徑、壓強對其影響均較弱。

因此，當管路系統中同時使用多個三通接口時，下游接口的連接能夠改變上游接口處垂直支管的流量占比，但自身的流量分配規律幾乎保持不變，其中管徑對上游接口處流量分配的影響權重明顯高于氣源壓強。根據本文的組合接口模型，組合接口的使用，能夠使得上游接口處垂直支管流量占比降低15%～22%。

2.2 組合接口2

本節同樣選用DN20、DN32、DN40 三種管徑研究了不同壓力源條件下組合接口2 的流量分配規律。不同管徑下氣源壓力對垂直支管流量分配的影響見圖7所示。

由于氣源與第一個三通位置關系可知，一般情況下下游兩支管可以近似平均分配主管流量，占比近似均為50%。但由于下游第二個三通的引入，導致了第一個三通處流量分配發生了變化。

如圖7(a)所示，第一處垂直支管的流量占比減幅程度隨著氣源壓力的增加而逐漸降低直至達到穩定，隨著管徑的增加呈現增大的趨勢。如圖7(b)所示，改變氣源壓力和管徑，使得第二處垂直支管流量占比減幅均低于4%，因此接口的組合使用對末游接口處流量分配影響較弱，可以適當降低上游垂直支管。

對比圖7(a)與圖6(a)可知，下游接口的增加對組合接口2 第一個三通處垂直支管的流量影響更小，特別是當氣源壓力逐步增加后。對比圖7(b)與圖6(b)可知，兩者變化趨勢較為接近，因此末游接口流量分配受組合接口的影響較弱，均符合單個三通接口流量分配的規律。

3 結論

本文針對管路系統中常見的三通、四通接頭的流量分配問題，從氣源壓力、管徑及接口組合形式等方面展開了深入研究，研究結果表明：

（1） 管路三通/四通接口處流量分配對管徑更為敏感，氣源壓力對其影響較弱。下游接口的使用能夠在一定程度上增強該支路上流量占比，而對自身流量分配影響較弱，近似遵循獨立接口的流量分配規律。

（2） 三通、四通及組合接口流量分配規律的研究，能夠為復雜的多區域、多進口系統提供更準確的管路系統設計思路，有效降低區域壓差，進一步提高系統均壓的工作效率，增強了系統運行的可靠性。