CFD模拟在某大空间抽真空充气过程中的应用

潘欣钰

中船第九设计研究院工程有限公司

大空间抽真空后，利用大气压自然充气的过程在工业实验室工程中得到广泛的应用。在设计该类项目的管路系统时，因为管径的选取关系到风管入口外的风速分布以及整个充气工程所需的时间能否满足工艺的要求，所以确定一个合理的管径是非常重要的。由于此类充气过程时间计算涉及到管路系统气动特性，往往需要经过实验才能得到相应数据，从而带入经验公式计算[1]，因此一般的工程设计中较难实现。本文通过CFD模拟技术，先得到了风管入口处的风速分布，从而确认入口邻近区域是否会存在风速过大，影响机器或工人安全的区域。还得到了充气工况下，风管中的速度分布情况，并将其作为后续编制充气时间计算程序中气体状态方程质量流量计算的边界条件。

1 DN800管道进口处速度场模拟

本工程中的大空间体积为80000 m3，通过真空泵将其抽至20000 Pa，此时打开管路上的阀门，利用大气压自然充气至大空间室内压力也为101325 Pa为止。根据气体动压的计算公式[2]，此时入口处的轴心风速可按式1估算：

式中：△P为压差，此处取大气压与抽真空后室内压力之差81325 Pa；ρ为空气密度，取1.2 kg/m3。

根据计算刚打开阀门时，风管入口处的轴心风速可达368 m/s，该数值超过了音速，因此有必要检验入口外的风速分布情况，以此确定附近存在威胁人员或设备安全的风速过高区域。

本文采用CFD软件计算风管入口处的风速场分布。先将该研究对象简化为一个两维对称问题，并将其划分计算区域如图1所示：

图1 充气问题对称2D网格划分简化模型

整个计算域分为三个部分，分别是室外大气压区域、风管区域和室内区域。由于风管中的风速梯度比较大，因此在划分网格时将风管附近区域进行了加密，网格数一共为27360个结构化单元。另外，根据工程实际参数，本次计算的边界条件为计算域左端为压力入口，设定值为101325 Pa，计算域右端为压力出口，设定值为20000 Pa。

将设定好的网格文件导入到CFD模拟软件中，检查网格无误，并设置湍流模型为k-ε两方程模型，使用绝对压力的表示方法，设置两个压力边界条件，其它的为壁面条件，经过迭代计算，可以得出速度场分布如图2所示：

图2 风管入口处的速度场分布

使用散点图的作图方式还可以方便地得到离开风管入口中心的水平距离与风速的关系，如图3所示：

图3 风管入口处的速度场分布

图3中，显示了风管入口中心向室外的距离与风速大小的关系，可以看到当水平轴心距离达到20 m时，风速降至20.19 m/s。根据相关风速对人体影响的研究[3]，当蒲福风级达到8级（烈风）时，也就是风速为20.8～24.4 m/s，人将会彻底无法行走，而当蒲福风级为7级（大风）时，也就是风速为17.2～20.7 m/s，此时对人的行走有阻碍作用，保持平衡比较困难，但还不至于发生严重的安全事故。因此，在风管回气时，应该禁止人员在离墙20 m处活动。并且需要加设安全围栏，对20 m以内的设备进行加固处理，以免产生安全事故或损坏设备。

2 风管速度衰减程度模拟

为了计算该空间的充气时间，先需要知道风管空气的风速，根据风管面积即可求得相应的流量。随着室外气体充入室内，室内的气体质量会逐渐增加，而室内的体积是一个定量，因此根据理想气体状态方程就可以求得此时室内的气体压力，将室内的压力与大气压力101325 Pa进行对比，直到两者的残差达到0.1 Pa时，即认为充气过程已经基本完成，此时将计算的时间步长乘以迭代次数就可以得到相应的充气时间。其计算程序的逻辑步骤如图4所示：

图4 充气时间计算逻辑

可以看到整个计算过程，先需要获得风管出口平均速度和轴心风速之比，也就是计算逻辑中的第一和第二步，而这也恰恰是通过经验公式无法计算的。基于以上原因，本文采用CFD模拟方法将大空间简化成一个两维对称问题进行计算。为了得到室内不同压力工况下的风管出口平均速度与轴心风速之比，本模拟设置了室内压力 90000 Pa，80000Pa，70000 Pa，60000 Pa，50000 Pa，40000 Pa，30000 Pa，20000 Pa 等共 8 种情况，通过后处理可以得到由动压方程计算出的轴心速度和风管出口断面上的平均风速数据以及相应的速度衰减系数，如表1所示：

表1 轴心风速与出口平均风速对比

由此，在充气时间计算中，用于计算气体质量流量的速度衰减系数即可取多工况下的平均值，即速度衰减系数取0.781。

3 充气时间程序编制与计算结果

根据上述的充气时间计算路线，和业主方需要用两根管径相同的风管在30分钟内完成充气过程的工艺要求。使用C#语言编制计算程序[4]，实现在用户输入管径，计算时间步长和速度衰减系数的前提下，输出相应每个时间步长的室内压力、流入气体质量等相关数据，并给出充气过程所需的时间。

图5 程序初始设置界面

程序中涉及的变量例举如下：t为时间，outPressure为室外大气压，inPressure为室内压力，diameter为直径，deltaT为计算的时间步长，x为表3.1中所求的速度衰减系数，取值为0.781。程序运行界面如图5和图6所示：

图6 程序结果显示界面

分别设置管径0.4 m和0.35 m两种情况，时间步长为1 s，即1 s进行一次迭代计算，速度衰减系数取0.781。计算程序结果为：两根直径0.4 m的圆管能够在30.93 min内完成充气，而两根直径0.35 m的圆管则需40.42 min。因此选择两根直径0.4 m的圆管作为本工程的充气管路。室内压力随着充气时间的变化如图7所示：

图7 室内压力随充气时间的变化

4 实验与结论

本工程在管路系统安装完毕之后，进行了充气运行。利用一根直径0.4 m的圆管用时60 min完成了80000 m3大空间的大气压自然回气过程，与简化模拟计算方法所得到的结果十分相近。因此，本文所提供的模拟和计算方法能够较好地预测利用大气压自然充气过程所需的时间，为该类设计提供了简化的算法。