潘欣鈺

中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司

大空間抽真空后，利用大氣壓自然充氣的過(guò)程在工業(yè)實(shí)驗(yàn)室工程中得到廣泛的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)該類項(xiàng)目的管路系統(tǒng)時(shí)，因?yàn)楣軓降倪x取關(guān)系到風(fēng)管入口外的風(fēng)速分布以及整個(gè)充氣工程所需的時(shí)間能否滿足工藝的要求，所以確定一個(gè)合理的管徑是非常重要的。由于此類充氣過(guò)程時(shí)間計(jì)算涉及到管路系統(tǒng)氣動(dòng)特性，往往需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)才能得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而帶入經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[1]，因此一般的工程設(shè)計(jì)中較難實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)CFD模擬技術(shù)，先得到了風(fēng)管入口處的風(fēng)速分布，從而確認(rèn)入口鄰近區(qū)域是否會(huì)存在風(fēng)速過(guò)大，影響機(jī)器或工人安全的區(qū)域。還得到了充氣工況下，風(fēng)管中的速度分布情況，并將其作為后續(xù)編制充氣時(shí)間計(jì)算程序中氣體狀態(tài)方程質(zhì)量流量計(jì)算的邊界條件。

1 DN800管道進(jìn)口處速度場(chǎng)模擬

本工程中的大空間體積為80000 m3，通過(guò)真空泵將其抽至20000 Pa，此時(shí)打開(kāi)管路上的閥門(mén)，利用大氣壓自然充氣至大空間室內(nèi)壓力也為101325 Pa為止。根據(jù)氣體動(dòng)壓的計(jì)算公式[2]，此時(shí)入口處的軸心風(fēng)速可按式1估算：

式中：△P為壓差，此處取大氣壓與抽真空后室內(nèi)壓力之差81325 Pa；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3。

根據(jù)計(jì)算剛打開(kāi)閥門(mén)時(shí)，風(fēng)管入口處的軸心風(fēng)速可達(dá)368 m/s，該數(shù)值超過(guò)了音速，因此有必要檢驗(yàn)入口外的風(fēng)速分布情況，以此確定附近存在威脅人員或設(shè)備安全的風(fēng)速過(guò)高區(qū)域。

本文采用CFD軟件計(jì)算風(fēng)管入口處的風(fēng)速場(chǎng)分布。先將該研究對(duì)象簡(jiǎn)化為一個(gè)兩維對(duì)稱問(wèn)題，并將其劃分計(jì)算區(qū)域如圖1所示：

圖1 充氣問(wèn)題對(duì)稱2D網(wǎng)格劃分簡(jiǎn)化模型

整個(gè)計(jì)算域分為三個(gè)部分，分別是室外大氣壓區(qū)域、風(fēng)管區(qū)域和室內(nèi)區(qū)域。由于風(fēng)管中的風(fēng)速梯度比較大，因此在劃分網(wǎng)格時(shí)將風(fēng)管附近區(qū)域進(jìn)行了加密，網(wǎng)格數(shù)一共為27360個(gè)結(jié)構(gòu)化單元。另外，根據(jù)工程實(shí)際參數(shù)，本次計(jì)算的邊界條件為計(jì)算域左端為壓力入口，設(shè)定值為101325 Pa，計(jì)算域右端為壓力出口，設(shè)定值為20000 Pa。

將設(shè)定好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到CFD模擬軟件中，檢查網(wǎng)格無(wú)誤，并設(shè)置湍流模型為k-ε兩方程模型，使用絕對(duì)壓力的表示方法，設(shè)置兩個(gè)壓力邊界條件，其它的為壁面條件，經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算，可以得出速度場(chǎng)分布如圖2所示：

圖2 風(fēng)管入口處的速度場(chǎng)分布

使用散點(diǎn)圖的作圖方式還可以方便地得到離開(kāi)風(fēng)管入口中心的水平距離與風(fēng)速的關(guān)系，如圖3所示：

圖3 風(fēng)管入口處的速度場(chǎng)分布

圖3中，顯示了風(fēng)管入口中心向室外的距離與風(fēng)速大小的關(guān)系，可以看到當(dāng)水平軸心距離達(dá)到20 m時(shí)，風(fēng)速降至20.19 m/s。根據(jù)相關(guān)風(fēng)速對(duì)人體影響的研究[3]，當(dāng)蒲福風(fēng)級(jí)達(dá)到8級(jí)（烈風(fēng)）時(shí)，也就是風(fēng)速為20.8～24.4 m/s，人將會(huì)徹底無(wú)法行走，而當(dāng)蒲福風(fēng)級(jí)為7級(jí)（大風(fēng)）時(shí)，也就是風(fēng)速為17.2～20.7 m/s，此時(shí)對(duì)人的行走有阻礙作用，保持平衡比較困難，但還不至于發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。因此，在風(fēng)管回氣時(shí)，應(yīng)該禁止人員在離墻20 m處活動(dòng)。并且需要加設(shè)安全圍欄，對(duì)20 m以內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行加固處理，以免產(chǎn)生安全事故或損壞設(shè)備。

2 風(fēng)管速度衰減程度模擬

為了計(jì)算該空間的充氣時(shí)間，先需要知道風(fēng)管空氣的風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)管面積即可求得相應(yīng)的流量。隨著室外氣體充入室內(nèi)，室內(nèi)的氣體質(zhì)量會(huì)逐漸增加，而室內(nèi)的體積是一個(gè)定量，因此根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程就可以求得此時(shí)室內(nèi)的氣體壓力，將室內(nèi)的壓力與大氣壓力101325 Pa進(jìn)行對(duì)比，直到兩者的殘差達(dá)到0.1 Pa時(shí)，即認(rèn)為充氣過(guò)程已經(jīng)基本完成，此時(shí)將計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)乘以迭代次數(shù)就可以得到相應(yīng)的充氣時(shí)間。其計(jì)算程序的邏輯步驟如圖4所示：

圖4 充氣時(shí)間計(jì)算邏輯

可以看到整個(gè)計(jì)算過(guò)程，先需要獲得風(fēng)管出口平均速度和軸心風(fēng)速之比，也就是計(jì)算邏輯中的第一和第二步，而這也恰恰是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式無(wú)法計(jì)算的?；谝陨显颍疚牟捎肅FD模擬方法將大空間簡(jiǎn)化成一個(gè)兩維對(duì)稱問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。為了得到室內(nèi)不同壓力工況下的風(fēng)管出口平均速度與軸心風(fēng)速之比，本模擬設(shè)置了室內(nèi)壓力 90000 Pa，80000Pa，70000 Pa，60000 Pa，50000 Pa，40000 Pa，30000 Pa，20000 Pa 等共 8 種情況，通過(guò)后處理可以得到由動(dòng)壓方程計(jì)算出的軸心速度和風(fēng)管出口斷面上的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的速度衰減系數(shù)，如表1所示：

表1 軸心風(fēng)速與出口平均風(fēng)速對(duì)比

由此，在充氣時(shí)間計(jì)算中，用于計(jì)算氣體質(zhì)量流量的速度衰減系數(shù)即可取多工況下的平均值，即速度衰減系數(shù)取0.781。

3 充氣時(shí)間程序編制與計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述的充氣時(shí)間計(jì)算路線，和業(yè)主方需要用兩根管徑相同的風(fēng)管在30分鐘內(nèi)完成充氣過(guò)程的工藝要求。使用C#語(yǔ)言編制計(jì)算程序[4]，實(shí)現(xiàn)在用戶輸入管徑，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)和速度衰減系數(shù)的前提下，輸出相應(yīng)每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的室內(nèi)壓力、流入氣體質(zhì)量等相關(guān)數(shù)據(jù)，并給出充氣過(guò)程所需的時(shí)間。

圖5 程序初始設(shè)置界面

程序中涉及的變量例舉如下：t為時(shí)間，outPressure為室外大氣壓，inPressure為室內(nèi)壓力，diameter為直徑，deltaT為計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)，x為表3.1中所求的速度衰減系數(shù)，取值為0.781。程序運(yùn)行界面如圖5和圖6所示：

圖6 程序結(jié)果顯示界面

分別設(shè)置管徑0.4 m和0.35 m兩種情況，時(shí)間步長(zhǎng)為1 s，即1 s進(jìn)行一次迭代計(jì)算，速度衰減系數(shù)取0.781。計(jì)算程序結(jié)果為：兩根直徑0.4 m的圓管能夠在30.93 min內(nèi)完成充氣，而兩根直徑0.35 m的圓管則需40.42 min。因此選擇兩根直徑0.4 m的圓管作為本工程的充氣管路。室內(nèi)壓力隨著充氣時(shí)間的變化如圖7所示：

圖7 室內(nèi)壓力隨充氣時(shí)間的變化

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

本工程在管路系統(tǒng)安裝完畢之后，進(jìn)行了充氣運(yùn)行。利用一根直徑0.4 m的圓管用時(shí)60 min完成了80000 m3大空間的大氣壓自然回氣過(guò)程，與簡(jiǎn)化模擬計(jì)算方法所得到的結(jié)果十分相近。因此，本文所提供的模擬和計(jì)算方法能夠較好地預(yù)測(cè)利用大氣壓自然充氣過(guò)程所需的時(shí)間，為該類設(shè)計(jì)提供了簡(jiǎn)化的算法。