張傳鑫，張衛(wèi)義，孫笠峰，涂 俊，2，任 園

（1.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京102617；2.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；3.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190）

1 引言

氣流脈動(dòng)是往復(fù)壓縮機(jī)管系中常見的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著管系的正常工作，而管系的不穩(wěn)定運(yùn)行則成為工廠安全生產(chǎn)的隱患，因此準(zhǔn)確計(jì)算脈動(dòng)流場(chǎng)具有重要的工程實(shí)際意義。

2 研究概況

由于聲波與壓力波之間存在著許多共性特征，最早對(duì)氣流脈動(dòng)的研究就利用聲學(xué)理論來模擬氣流脈動(dòng)。到了20世紀(jì)四五十年代初期，部分學(xué)者開始利用電學(xué)方法處理脈動(dòng)氣流，將壓縮機(jī)管線系統(tǒng)類比為由電阻，電容和電感等組成的電路，但這2種方法都不能反應(yīng)管道中脈動(dòng)氣流的真實(shí)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

20世紀(jì)五十年代后，美國(guó)學(xué)者提出了平面波動(dòng)理論。該理論是由連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程以及由這兩個(gè)方程推導(dǎo)出的波動(dòng)方程構(gòu)成。它是對(duì)質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒的簡(jiǎn)單描述，主要針對(duì)線性、非粘性和不可壓縮性流體。該理論的本質(zhì)是解線性方程組，其主要誤差為推導(dǎo)常系數(shù)偏微分方程時(shí)舍去的二階小量以及簡(jiǎn)化波動(dòng)方程時(shí)舍去的平均氣流速度。壓力不均勻度在15%～18%范圍內(nèi)時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值基本吻合。但當(dāng)管系處于共振狀態(tài)時(shí)，脈動(dòng)幅度相對(duì)較大，阻尼已超出了線性范圍，該理論將不再適用，計(jì)算結(jié)果大約是實(shí)際測(cè)量值的2～4倍[1]。

圖1 脈動(dòng)分析的各個(gè)理論及假設(shè)

針對(duì)平面波動(dòng)理論的不足，日本學(xué)者M(jìn).Yasuhiro等提出了一維非定常氣流理論。該理論是把阻尼與速度的一次方成正比關(guān)系改為與二次方成正比關(guān)系，同時(shí)考慮與環(huán)境的熱交換。這樣使得其結(jié)果相對(duì)誤差更小，基本能滿足工程需要[2]。

以上2個(gè)理論構(gòu)成了解決氣流脈動(dòng)問題的基礎(chǔ)，后來的學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了各種改進(jìn)，以適應(yīng)不同工況下的流體流動(dòng)。如考慮邊界層處的流動(dòng)，庫艾特流動(dòng)，瑞利流模型等情況。圖1為脈動(dòng)分析的各個(gè)理論及假設(shè)[3]。

3 最新方法

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和數(shù)學(xué)模型的完善，過去忽略的影響因子被重新考慮。在一維非定常氣流方程的基礎(chǔ)上，美國(guó)西南研究院編寫了一維時(shí)域流動(dòng)求解程序，即Transient Analysis Pulsation Solver或TAPS。這個(gè)瞬態(tài)脈動(dòng)求解程序包含控制方程的所有項(xiàng)（流體慣性，擴(kuò)散，粘度和能量耗散等），同時(shí)考慮平均流量、非線性項(xiàng)和摩擦阻力，能更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)壓縮機(jī)歧管和管道設(shè)計(jì)上的脈動(dòng)問題。而在數(shù)值模擬過程中，綜合考慮出入口的邊界條件和流體動(dòng)態(tài)特性，使得計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)值。

程序依據(jù)的基本理論為[3]：

其中，粘度μs是介質(zhì)粘度和湍流渦流粘度的結(jié)合項(xiàng)，湍流渦流粘度通常是利用湍流模型中的二階雷諾數(shù)來確定。在實(shí)際管流中，動(dòng)量方程中包含2個(gè)與粘度有關(guān)的項(xiàng)：一個(gè)來源于速度的二階偏導(dǎo)數(shù)；另一個(gè)與流動(dòng)方向垂直的方向上的運(yùn)動(dòng)有關(guān)系。沿著管長(zhǎng)方向延伸，這兩項(xiàng)都會(huì)對(duì)脈動(dòng)波形產(chǎn)生影響。

研究人員利用模型為1000 m的長(zhǎng)直管道，依靠TAPS（一維時(shí)域流動(dòng)求解法）對(duì)該模型進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果與平面波動(dòng)理論的計(jì)算結(jié)果作比較[3]。如圖2和圖3所示，曲線1為平面波動(dòng)理論的計(jì)算結(jié)果，曲線2為一維時(shí)域流動(dòng)求解法的計(jì)算結(jié)果。

強(qiáng)脈動(dòng)條件下（圖2），2種理論的計(jì)算結(jié)果有所差異。一維時(shí)域流動(dòng)求解法由于考慮了摩擦阻力的影響，沿著管道延伸方向，摩擦阻力的影響越來越大，使得管道末端的脈動(dòng)振幅偏小。平面波動(dòng)理論忽略摩擦阻力影響使計(jì)算的脈動(dòng)值偏大?？梢姶藯l件下，一維時(shí)域流動(dòng)求解法的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

在弱脈動(dòng)條件下（圖3），由于摩擦阻力的影響使得兩者圖形有所差異。然而在弱脈動(dòng)條件下，摩擦阻力的影響相對(duì)較小，故在管道末端兩種理論的計(jì)算結(jié)果差異也較小。在精確度要求不高的條件下，兩種理論都適合。相對(duì)來說，一維時(shí)域流動(dòng)求解法的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

圖2 強(qiáng)脈動(dòng)條件下的對(duì)比

圖3 弱脈動(dòng)條件下的對(duì)比

4 氣流脈動(dòng)的控制

在解決工程振動(dòng)問題上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)聲學(xué)理論、平面波動(dòng)理論、一維非定常流動(dòng)理論等設(shè)計(jì)出多種多樣的消減振動(dòng)裝置，包括緩沖器、孔板、集管器、衰減器等。

國(guó)外控制技術(shù)現(xiàn)在主要向2個(gè)方向發(fā)展：管嘴控制技術(shù)和系統(tǒng)側(cè)支控制技術(shù)。管嘴控制技術(shù)是通過提高動(dòng)態(tài)壓力耗散，轉(zhuǎn)移管嘴響應(yīng)頻率從而達(dá)到減小管嘴脈動(dòng)和控制管嘴共振目的。利用該技術(shù)制作的設(shè)備有圓錐形管嘴、虛擬孔、緊湊型管嘴脈動(dòng)緩沖器和單瓶多腔濾波器。而系統(tǒng)側(cè)支控制技術(shù)正在開發(fā)之中，適用于高速和變速壓縮機(jī)系統(tǒng)，其作用效果比傳統(tǒng)的歧管系統(tǒng)更加有效。該技術(shù)的代表設(shè)備為可調(diào)式側(cè)支消減器。

4.1 虛擬孔-The Virtual Orifice（VO）

虛擬孔主要控制管嘴處的脈動(dòng)響應(yīng)頻率，且吸收脈動(dòng)幅度較大的脈動(dòng)。從作用原理上看，它類似一個(gè)赫姆霍茲消減器[4]，虛擬孔具有較低的壓力損失，且減振效果明顯，效率比普通孔板高約3倍，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 虛擬孔裝置模型

4.2 單瓶多腔濾波器-Single Bottle，Multi-Cham-ber Acoustic Filter

單瓶多腔濾波器結(jié)構(gòu)上類似于換熱器，內(nèi)部裝有隔板和節(jié)流管[5]。如圖5所示，該緩沖器采用較小直徑的筒體使得既能保證小的壓力降，又能濾過較高的頻率，可將脈動(dòng)振幅控制在可接受范圍內(nèi)，一般安裝在管道入口位置。

圖5 單瓶多腔濾波器

4.3 可調(diào)式側(cè)支消減器-Tunable Side Branch Absorber（TSBA）

普通側(cè)支消減器能減小特定頻率范圍內(nèi)的壓力脈動(dòng)，而可調(diào)式側(cè)支消減器控制脈動(dòng)頻率的范圍大大增加[6]。其結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由阻氣管、輸氣管道、活塞和緩沖氣缸組成。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)使得氣缸容積減小時(shí)，共振響應(yīng)頻率增加，反之共振響應(yīng)頻率增加。

圖7是在各個(gè)工況下測(cè)得的脈動(dòng)值，曲線1表示不安裝任何減振裝置時(shí)的脈動(dòng)情況，安裝側(cè)支消減器時(shí)脈動(dòng)如曲線2所示，曲線3則表示安裝可調(diào)式側(cè)支消減器時(shí)的脈動(dòng)。

圖6 可調(diào)式側(cè)支分支器

圖73 種工況下脈動(dòng)消減對(duì)比

5 結(jié)論

（1） 不同工況下，平面波動(dòng)理論和一維時(shí)域流動(dòng)法的計(jì)算結(jié)果有所差異，弱脈動(dòng)條件下，兩者計(jì)算結(jié)果相差較小，為了計(jì)算方便和提高效率，可借助平面波動(dòng)理論；強(qiáng)脈動(dòng)條件下，由于過多的假設(shè)及共振的影響，平面波動(dòng)理論的計(jì)算結(jié)果大大高于真實(shí)值，故只能采用一維時(shí)域流動(dòng)法。

（2） 新型緩沖裝置在控制脈動(dòng)方面表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢(shì)，適用于不同的場(chǎng)合，需要具體分析計(jì)算。隨著理論的發(fā)展和設(shè)備的創(chuàng)新，氣流脈動(dòng)和管線振動(dòng)的控制能力會(huì)逐步提高。

[1] 張志飛.往復(fù)壓縮機(jī)管道受激振作用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2006：1-2.

[2] 黨錫淇，陳守五.活塞式壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)與管道振動(dòng)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1984，1-13

[3] Dennis Tweten，Marybeth Nored，Klaus Brun.The Physics of Pulsation[C].Gas Machinery Conference，2008.

[4] Marybeth Nored，Buddy Broerman，Klaus Brun，Gary Bourn.Low-Loss Pulsation Control[C].Gas Machinery Conference，2010.

[5] Benjamin A.White.Mechanical Modeling of Compressor Manifold Systems.Compressor Tech[J].March，2006.

[6]Broerman，Eugene“Buddy”McKee，Robert，Nored，Marybeth.Benefits of the Virtual Orifice:Pulsations and Vibrations Reduced，Performance Improved[C].GMRC，2008.

[7] Danny M，Deffenbaugh，Klaus Brun.Compression Technology for the Next Generation[J].Technology Today，2005，14-18.

[8] Benjamin A.White.Mechanical Modeling of Compressor Manifold Systems.Compressor Tech[J].March，2006.

[9]Buddy，Broerman，Robert J，Mckee，Christine M.GMRC Advanced Reciprcating Compressor Technology.Compressor Tech[J].June，2007.

[10]Eugene“Buddy”L Broerman，Ralph E Harris，Christine Mscrivener.ARCT＆GMRC Pulsation Control Project:Current Results[C].GMRC Gas Machinery Conference，2006.