高压气罐排气简化模型的预研模拟研究

严水霖

（福建永泰闽投抽水蓄能有限公司，福建 福州 350700）

1 问题描述与模拟模型

问题：模拟高压气罐向有限尺寸的开放空间中排气的过程。重点关注排气时气体参数的持续变化过程，包括温度变化、压力变化和速度变化；模拟总结不同条件下排期过程结束所需的时间；总结相关影响因素及影响规律。

模型：气罐尺寸Φ2 000×4 000，管路尺寸Φ100，管路长度5 000。（单位mm）

参数设置：①初始温度24 ℃；②初始速度0 m/s；③罐内初始压力8 MPa；④出口压力1 MPa、2 MPa、4 MPa；⑤壁面传热系数0[绝热]、20 W·m-2·K-1、100 W·m-2·K-1、200 W·m-2·K-1；⑥计算网格90万结构化，边界层初层网格高度0.2 mm、15层幂律增长；⑦非稳态模拟，时间步长0.002 s，计算2 000步共4 s物理时长；⑧浮力模型开启，重力加速度9.8 m/s2，气体浮力参考温度24℃。

2 基准工况的计算

以罐内8 MPa、出口1 MPa、壁面传热系数0 W·m-2·K-1的计算工况，作为基准工况。

2.1 流场特征

（1）压力特征

在高压气罐排气的不同时刻，流场的压力分布如图2、图3所示。图3中可看出，气罐至出口的压力下降过程平顺，但在管路出口处形成不连续的高压-低压相间变化，出现了典型超声速射流的压缩波-膨胀波结构。

图2 高压气罐排气全流场压力云图

图3 高压气罐排气出口空间压力云图

（2）温度特征

在高压气罐排气的不同时刻，流场的温度分布如图4、图5所示。气罐至出口的温度变化过程平顺，随着排气进行，管内温度逐渐降低，降幅大于20℃。管路出口处形成不连续的高温-低温相间变化，出现了典型超声速射流的压缩波-膨胀波结构。

图4 高压气罐排气全流场温度云图

图5 高压气罐排气出口空间温度云图

（3）管路出口的超音速特征

使用涡结构显示方法，对管路出口处的超声速射流进行可视化处理，得到如图6、图7所示的马赫环结构。随着排气过程的推进，马赫环的间距变小，扩张角度变大，说明流速逐渐下降，射流逐渐向扩散性射流退化发展。对比文献的研究结果，可知本算例模拟结果具有合理性。

图6 高压气罐排气出口的超音速流动

图7 高压气罐排气出口空间的压缩波-膨胀波结构

图8 文献[1]高压排气出口流场模拟图像

（4）管路内部的超音速特征

根据空气动力学的喷管射流原理可知，达到声速的气流，其实现超声速的条件必须是管路直径先缩小后增大、先压缩气流再使气流膨胀，在膨胀过程中实现超音速。因此，等径管路内的气流速度不会超过当地音速。但是，在本算例中，由于管路存在弯管，气流通过弯管时，受后台阶旋涡结构的影响，实际过流面积是先缩小、后扩大，因此局部具备了气流超音速的条件。模拟结果也显示出，在弯管处出现局部超音速流动，见图9所示。

图9 高压气罐排气管路内部局部超音速流动

2.2 参数变化

如图10设置测点，考察参数的变化过程。如图11可见，在排期过程中，压力和温度下降，速度升高。说明排气为绝热过程，气体内能转换为动能。在排气初期，具有较为剧烈的变化，这与管路出口建立超声速流场有关，在罐中也能检测到这一影响，说明下游出口的超声速振动对上游也有较明显的影响。

图1 模型示意图

图10 测点位置示意图

图11 测点参数变化过程（采样率5 Hz）

2.3 潜在问题

（1）气体降温幅度大，对罐体和管路的材料性能可能产生影响。

综上所述,在进一步提高射频技术使用效果的同时,我们可以合理的将射频技术应用在疼痛治疗中,本文总结了如何将射频技术在疼痛治疗中进行有效应用,提出了应用的有效方式。

（2）排期初始阶段建立超声气流的高能振荡，对系统的机械结构可能产生影响。

（3）管路内部局部超声速可产生多种危害，例如震动和局部严重低温等。

3 工况参数的影响

3.1 壁面换热系数的影响

分别使用壁面换热系数0[绝热]、20 W·m-2·K-1、100 W·m-2·K-1、200 W·m-2·K-1进 行模拟，可知本算例中壁面换热系数几乎无影响，流场图像无显著区别，此处仅列举监测曲线对比，见图12所示。曲线几乎重叠，差异很小。与管路过短、流速过快、换热过程时间过短有关。

图12 不同壁面换热系数模拟结果对比

3.2 罐内外压差的影响

固定罐内压力8 MPa，分别使用出口压力1 MPa、2 MPa、4 MPa进行模拟，见图13所示。模拟结果显示，出口压力较高、排气压差较小时，排气初始阶段出口建立超声速流场时产生的流量波动幅度较大，但达到稳定流量的时间较短，同时排气后期的流量衰减较快。

图13 不同出口压力模拟结果对比

流场图像方面，出口压力为1 MPa与2 MPa时差异较小，而出口压力为4 MPa的排气后期图像有明显变化，主要为管路出口的超声速特征几乎消失，说明在高压气罐的排期过程中，应考虑跨声效应可能带来的影响。

3.3 管路长度的影响

在文献[1]中，管路的长径比为1 257.86，压差6.4 MPa，其计算得到排气初始时管路入口处特征Ma数为0.14，压差降低至4.5 MPa时的排气时间为1 440 s。本算例中管路长径比仅为50，排期初始阶段管路入口处特征Ma数为0.33，压差降低至4.5 MPa时的排气时间约为4 s。虽然排气时间远小于文献值，但根据文献提供的计算公式可知，初始Ma2对时间的计算具有指数级的影响。本算例与文献的Ma2差别约为4.7倍，计算时间时可作为指数可产生数倍数量级的差别，故本算例结果与文献差异较大，是符合理论分析的。

管路长径比除了通过阻力影响流量，在考虑壁面对流换热的情况下还会影响气流的温度。短管路中的高速气流近似于绝热流动；但当管路足够长、换热时间足够充足时，高速气流仍可通过对流换热获得能量，弥补管路阻力的能量损失。因此，使用长管路进行排气时，排期时间具有正反两种影响因素，过程较为复杂，有待进一步研究和验证相关理论。

4 结论

（1） 通过构建气系统三维模型，完成数值模拟仿真，结果发现，随着排气进行，管内温度逐渐降低，降幅大于20℃。管路出口处形成不连续的高温-低温相间变化，出现了典型超声速射流的压缩波-膨胀波结构。

（2） 在排气过程中，发现超声速流动出现在弯头处，且下游出口的超声速振动对上游也有较明显的影响。

（3） 出口压力不同时，流场现象差异明显。出口压力为4 MPa时，超声速现象消失，说明在高压气罐的排期过程中，应考虑跨声效应可能带来的影响。

（4） 管路长度对排气压力有正反两种影响因素，过程复杂，有待进一步研究和验证相关理论。