真空背壓下多截面細徑管內氣體流動(dòng)特性分析

　　采用數值模擬方法研究了真空背壓下多截面細徑管的氣體流動(dòng)問(wèn)題，并結合理論和實(shí)驗結果對管內氣體流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。研究結果表明：在初始時(shí)間段，容器壓力下降較快，細徑管內氣體處于流動(dòng)壅塞狀態(tài)，壅塞狀態(tài)穩定后，流速下降緩慢，使得壅塞流動(dòng)狀態(tài)可以持續很長(cháng)時(shí)間;壅塞狀態(tài)下，容器壓力隨時(shí)間呈對數衰減關(guān)系，容器壓力越小，壅塞狀態(tài)持續時(shí)間越短。同時(shí)，壅塞狀態(tài)下截面突變區域出現了膨脹波和超聲速環(huán)。隨著(zhù)容器壓力的進(jìn)一步下降，導管入口的流速降低以及導管長(cháng)度小于臨界管長(cháng)，不足以使氣流加速到音速，產(chǎn)生壅塞條件不足，導管Ⅱ內的壅塞狀態(tài)率先結束，導管Ⅲ和導管Ⅰ內的壅塞現象依次消失。細徑管內氣體轉為層流狀態(tài)，容器壓力下降較慢。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為數值模擬結果與實(shí)驗結果吻合較好，為多截面細徑管內氣體流動(dòng)特性分析提供依據。

　　在航空航天、國防軍事以及工業(yè)領(lǐng)域，細徑管路得到了廣泛的應用。因受空間限制，細徑管路系統中存在多處截面過(guò)渡區域，管徑變化多，形狀復雜，流場(chǎng)速度梯度較大，粘性耗散作用明顯。因此，如何提高細徑管路的流動(dòng)效率是一個(gè)難點(diǎn)。氣體通過(guò)管道已經(jīng)被廣泛研究，高壓或大氣環(huán)境下，李軍結合氣動(dòng)充放氣系統的實(shí)際情況，提出一種考慮摩擦和傳熱的一維非定常流場(chǎng)方法。Jason通過(guò)對絕熱氣體流動(dòng)和等溫氣體流動(dòng)分析，研究了等直徑管路的天然氣壅塞現象，提出管道燃氣在兩種流動(dòng)下最大流量的估算方法。劉慶堂研究了天然氣流動(dòng)時(shí)變徑管道壅塞流動(dòng)特性分析，引入臨界壓強比，建立了臨界壅塞的判定條件，建立了壅塞流動(dòng)狀態(tài)下的流量計算公式。丁英濤采用實(shí)驗研究和數值計算相結合的手段研究了微型噴管內氣體的流動(dòng)特性。低壓環(huán)境下，周曉對不同真空管道阻塞比條件下高速列車(chē)車(chē)體的空氣阻力進(jìn)行了數值模擬，得出真空管道內阻塞比對列車(chē)空氣阻力的影響規律。劉加利深入系統地研究了真空管道高速列車(chē)氣動(dòng)阻力特性和系統參數設計方法，研究了管道壓力、阻塞比和列車(chē)速度對列車(chē)氣動(dòng)阻力的影響。然而通過(guò)細徑管從中低壓到真空環(huán)境中的流動(dòng)研究甚少，目前已知僅有廖彬通過(guò)試驗的手段對帶細徑導管的容器放氣性能影響因素進(jìn)行了研究，指出了容器的放氣速率與氣體種類(lèi)、管道長(cháng)度和截面尺寸、背壓等因素的關(guān)系。

　　本文對真空背壓下多截面細徑管的氣體流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了數值模擬，并結合理論方法和實(shí)驗結果對多截面細徑管的氣體流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。

1、數值模型與計算方法

　　放氣過(guò)程中，放氣容器內充入0.6MPa氣體，通過(guò)不同幾何尺寸的細徑管排氣到真空室里。實(shí)際應用中，不同尺寸的細徑管通過(guò)閥門(mén)連接，使得流動(dòng)情況比較復雜，進(jìn)行完全數值模擬比較困難，因此對流動(dòng)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，模型中包括容器、三段不同內徑不同長(cháng)度的細徑管、3m×3m 的模擬真空區域，如圖1所示。由于簡(jiǎn)化后的模型結構以及氣體流動(dòng)是軸對稱(chēng)的，所以將數值模擬簡(jiǎn)化為二維計算。

　　數值模擬采用商業(yè)軟件FLUENT，基于有限體積法對圖1的模型進(jìn)行數值模擬。計算域與網(wǎng)格劃分結果如圖2所示。計算初始條件為：容器內初始壓力為0.6MPa，細徑管與模擬真空區域的初始壓力為300Pa。計算湍流模型采用標準的k-ε 湍流模型并封閉方程組，考慮到細徑管內流場(chǎng)速度梯度較大，溫度和動(dòng)量方程強烈耦合，對溫度和密度所用的亞松弛因子進(jìn)行了亞松弛，壁面邊界均采用絕熱條件和無(wú)滑移邊界條件。

圖1　數值模型示意圖

圖2　網(wǎng)格劃分示意圖

3、結論

　　本文對真空背壓下多截面細徑管的氣體流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了數值模擬，并結合理論方法和實(shí)驗結果對多截面細徑管的氣體流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。主要有以下結論：

　　(1)在初始時(shí)間段，容器壓力下降較快，細徑管內氣體處于流動(dòng)壅塞狀態(tài)，壅塞穩定后，細徑管內的流速下降緩慢，使得壅塞流動(dòng)狀態(tài)可以持續很長(cháng)時(shí)間;壅塞狀態(tài)下，容器壓力隨時(shí)間呈對數衰減關(guān)系，容器壓力越小，壅塞狀態(tài)持續時(shí)間越短，此外，壅塞狀態(tài)下截面突變區域出現了膨脹波和超聲速環(huán)。

　　(2)導管入口的流速降低以及導管長(cháng)度小于臨界管長(cháng)，不足以使氣流加速到音速，產(chǎn)生壅塞條件不足，從而壅塞現象消失。

　　(3)導管Ⅱ內的壅塞狀態(tài)率先結束，導管Ⅲ和導管Ⅰ內的壅塞現象依次消失。這與導管的幾何尺寸有關(guān)。

　　(4)隨著(zhù)容器壓力的進(jìn)一步下降，細徑管內氣體處于層流狀態(tài)，容器壓力下降較慢，主要是因為氣流的流速受導管截面積和長(cháng)度的限制而顯著(zhù)降低。

　　(5)數值模擬結果與實(shí)驗結果吻合較好，為多截面細徑管內氣體流動(dòng)特性分析提供依據。