王曉強(qiáng) 蘇永生 趙嘉煜 曾 杰

（1.海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院 武漢 430033）（2.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033）（3.中國(guó)人民解放軍91991部隊(duì) 舟山 316000）

1 引言

由于往復(fù)壓縮機(jī)機(jī)組存在力矩與慣性力不平衡、機(jī)組設(shè)計(jì)不合理、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠、壓縮機(jī)管路內(nèi)較大的氣流脈動(dòng)等原因［1］，壓縮機(jī)管路往往會(huì)存在一定的振動(dòng)，而管路振動(dòng)會(huì)加速裂紋等缺陷地?cái)U(kuò)展，導(dǎo)致管路疲勞失效［2］。研究表明，壓縮機(jī)組和其附屬管路的振動(dòng)主要是由氣流脈動(dòng)引起的。氣流脈動(dòng)引起的管路振動(dòng)一般可以沿管道傳遞到很遠(yuǎn)，可能對(duì)壓縮機(jī)及其管路系統(tǒng)造成嚴(yán)重的危害。

近年來(lái)，CFD模擬技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)和流體力學(xué)理論的發(fā)展而在工業(yè)各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。韓文龍等［3］采用了CFD 技術(shù)結(jié)合實(shí)驗(yàn)，對(duì)管道氣流脈動(dòng)計(jì)算模型進(jìn)行了對(duì)比分析。蘇永升等［4］提出一種新型氣流脈動(dòng)消減器，通過(guò)CFD數(shù)值模擬對(duì)其脈動(dòng)消減器進(jìn)行優(yōu)化。孫嗣瑩等［5］研究了緩沖罐位置對(duì)氣流脈動(dòng)的影響，得到了緩沖罐安裝位置對(duì)氣流脈動(dòng)的影響。隨著抑制氣流脈動(dòng)研究的不斷深入以及數(shù)值模擬方法等不斷發(fā)展［6～9］，抑制裝置及新型抑制措施不斷涌現(xiàn)［10～12］。以上研究均對(duì)減小壓縮機(jī)管網(wǎng)氣流脈動(dòng)提供一定理論依據(jù)。

港口充氣站往往使用大型往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行供氣，由于空壓機(jī)組的工作特性，有可能在充氣過(guò)程中使得管網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生較大的壓力脈動(dòng)，進(jìn)而影響港口氣站的安全。為此，論文采用CFD方法對(duì)港口高壓氣站的管網(wǎng)系統(tǒng)-氣瓶組進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究管道上不同位置的壓力脈動(dòng)規(guī)律，為降低管路振動(dòng)提供參考。

2 充氣管網(wǎng)模型分析

根據(jù)充氣站二維平面圖，對(duì)充氣管網(wǎng)以及氣瓶進(jìn)行三維建模，其正視圖與俯視圖如圖1 所示。兩臺(tái)壓縮機(jī)排氣口分別連接兩條管道（記為管1、管2），管1、管2 另一端與匯集管相接，匯集管與緩沖氣瓶相接，除管1、管2 中部連接有兩條排氣管道（記為排氣管1、排氣管2），壓縮機(jī)排出的另一部分氣體通過(guò)排氣管1、排氣管2排至室外。整個(gè)管網(wǎng)-氣瓶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：1 號(hào)壓縮機(jī)出口氣體經(jīng)冷卻水換熱冷卻后進(jìn)入管1，管1 總長(zhǎng)約為16.6m，直徑為15mm；2 號(hào)壓縮機(jī)出口氣體經(jīng)冷卻水換熱冷卻后進(jìn)入管2，2號(hào)壓縮機(jī)與1號(hào)壓縮機(jī)距離約4m，長(zhǎng)為12.6m，直徑也為15mm；在距1 號(hào)壓縮機(jī)9.3m處，管1 連接排氣管1，排氣管1 長(zhǎng)約7.3m，直徑為21mm；在距1 號(hào)壓縮機(jī)9.3m 處，管2 連接排氣管2，排氣管2 與排氣管1 等長(zhǎng)，直徑也為21mm；匯集管長(zhǎng)1.4m，直徑為15mm；氣瓶均為410L，直徑為0.3m，高約為1.5m。模擬設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置：壓縮機(jī)出口附近、管1 與管2 的供氣配氣系統(tǒng)前后0.2m、管1 與管2 距1 號(hào)壓縮機(jī)13m 與16m 處、排氣管1 與排氣管2 距1 號(hào)壓縮機(jī)9.35m、13m 和14.5m處以及兩排氣管出口處，如圖2所示。

借鑒英國(guó)高校圖書(shū)館數(shù)字學(xué)術(shù)服務(wù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及我國(guó)圖書(shū)館界目前在數(shù)字學(xué)術(shù)服務(wù)及數(shù)字人文服務(wù)方面的研究與實(shí)踐探索，本文提出以下建議與同行交流。

圖1 管網(wǎng)-氣瓶正視圖及俯視圖

圖2 管系結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)學(xué)模型

為精確得出不同氣瓶分布方式之間的緩沖率，將壓力脈動(dòng)峰峰值進(jìn)行比較，如表2 所示。由表2中的數(shù)值可知，整個(gè)氣瓶組前移對(duì)管路脈動(dòng)壓力減小有顯著作用，與原模型相比，管1、管2和排氣管1監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰峰值分別減小了36.54%、20.34%、20.44%，即使在排氣管2監(jiān)測(cè)點(diǎn)中增大了，也才增大2.2%。氣瓶組為4+4 分布方式與原模型相比，管1、管2 和排氣管1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰峰值分別減小了19.78%、7.63%、5.39%，但在排氣管2監(jiān)測(cè)點(diǎn)中增大了18.62%。

上述“胸椎壓縮性骨折”在精細(xì)化管理系統(tǒng)的分析中被確定為“經(jīng)濟(jì)經(jīng)營(yíng)類(lèi)”病種。封國(guó)生介紹，醫(yī)院將病種類(lèi)型主要?jiǎng)澐譃閷W(xué)術(shù)發(fā)展類(lèi)、績(jī)效指標(biāo)類(lèi)、經(jīng)濟(jì)經(jīng)營(yíng)類(lèi)三大類(lèi)，如器官移植等成本較高的病種，核算出來(lái)可能是賠錢(qián)的，但相關(guān)病種的難度高、科學(xué)價(jià)值高，稱(chēng)之為“學(xué)術(shù)發(fā)展類(lèi)”；有些病種雖然難度不高，但效益好，稱(chēng)之為“績(jī)效指標(biāo)類(lèi)”。

1.治療藥物常用氟苯尼考，其口服量為每天20～30 mg/kg體重，分2～3次內(nèi)服；肌注量為每天10 ～30 mg/kg體重，分2～3次注射，連用4～5 d，如果病情較重的，可多用2～3 d。

動(dòng)量守恒方程：

為甄別株洲段河岸沉積物中重金屬的來(lái)源，這里先將重金屬元素的分析結(jié)果用Al進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以消除粒度效應(yīng)，然后進(jìn)行聚類(lèi)分析(cluster analysis)．本研究采用組間平均距離聯(lián)接的系統(tǒng)聚類(lèi)方法，選用平方Euclidean距離的度量標(biāo)準(zhǔn)，并用Z得分進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，可將9種重金屬元素分為3大類(lèi)(見(jiàn)圖2)：第一類(lèi)(I)包括Zn、Pb、Cu、Co、Ni；第二類(lèi)(II)包括Ba、V、Cr；第三類(lèi)(III)為Mn．

式中，ρ為流體密度；t為時(shí)間；?為散度；u為速度矢量；p為流體微元體上的壓力；μ為動(dòng)力粘度；Sx、Sy、Sz是廣義源項(xiàng)；cp為流體定壓熱容；T為流體溫度；k為流體傳熱系數(shù)；ST為粘性耗散項(xiàng)。

由SDS-PAGE結(jié)果(圖2)可以看到，3種樣品的電泳條帶相似，未見(jiàn)過(guò)敏原斷裂片段，僅有的不同是兩組水煮樣品在100～130 kDa之間的一個(gè)條帶比未加工花生蛋白樣略深，這可能是熱加工產(chǎn)生后蛋白聚集體導(dǎo)致的[16]。而iTRAQ實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表1)也表明，Ara h 1等8種過(guò)敏原蛋白的數(shù)量比值均在0.85～1.67之間，這也說(shuō)明加工后各種過(guò)敏原蛋白的數(shù)量變化不顯著(兩種樣品間的相對(duì)含量大于2或者小于0.5時(shí)表現(xiàn)為具有顯著性差異)[30]?？傮w而言，水煮加工對(duì)各過(guò)敏原蛋白的數(shù)量沒(méi)有顯著影響，但可能產(chǎn)生蛋白聚集體等，從而影響其高級(jí)結(jié)構(gòu)。

3.2 邊界條件及求解方法

由于壓縮機(jī)組周期性吸排氣的特性，為確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，模擬采用瞬態(tài)計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)為0.0015s。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，采用SIMPLE 算法，能量方程殘差設(shè)為1e-6，其余各項(xiàng)為1e-3。工質(zhì)設(shè)為理想氣體，進(jìn)口條件為速度入口，根據(jù)每個(gè)周期吸排氣時(shí)間點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的流速編寫(xiě)UDF，加載于入口邊界條件中，氣體入口溫度為313.15K，出口條件為壓力出口，壁面設(shè)置為絕熱無(wú)滑移壁面。

3.3 網(wǎng)格劃分以及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

同一工況下，三種氣瓶分布方式供氣出口端壓力脈動(dòng)對(duì)比圖如圖12、圖13 所示。由圖12、圖13可知?dú)馄拷M前移可降低出口端的壓力脈動(dòng)峰峰值，而氣瓶組4+4 的分布方式會(huì)增大供氣出口端的壓力脈動(dòng)峰峰值。對(duì)于排氣管1，氣瓶前移時(shí)出口壓力為7.5kPa，與原模型的出口壓力為15.5kPa對(duì)比，其壓力脈動(dòng)峰峰值減小了約51.61%；對(duì)于排氣管2，氣瓶前移時(shí)出口壓力為10kPa，原模型出口壓力為12kPa，壓力脈動(dòng)峰峰值減小了約16.67%，可見(jiàn)氣瓶前移對(duì)供氣口壓力脈動(dòng)緩沖效果明顯。氣瓶4+4 分布時(shí)，排氣管1 的出口端壓力脈動(dòng)峰峰值為22.06kPa，排氣管2 出口端壓力脈動(dòng)峰峰值增大至21.16kPa。因此，想要有效降低管道壓力脈動(dòng)值，可采用將氣瓶組前移的方法。

能量守恒方程：

圖3 管網(wǎng)-氣瓶網(wǎng)格劃分局部圖

同一工況下，采用CFD方法對(duì)不同模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，三種氣瓶分布方式下監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)對(duì)比如圖10、圖11所示。從中可看出，同一工況下管道內(nèi)部的壓力脈動(dòng)有所下降，其中將整個(gè)氣瓶組前移使得壓力脈動(dòng)峰峰值下降得最大。將氣瓶組前移后管1、管2縮短了約7.3m，在長(zhǎng)度縮短不利于減小氣流脈動(dòng)的情況下壓力脈動(dòng)峰峰值仍然下降，說(shuō)明氣瓶置于鄰近壓縮機(jī)出口可很好的起到緩沖效果，可高效減小壓力脈動(dòng)。由圖中還可發(fā)現(xiàn)管1、排氣管1 相比于管2 與排氣管2 壓力脈動(dòng)下降幅度明顯，這是由于2 號(hào)壓縮機(jī)與1 號(hào)壓縮機(jī)相離約4m，即管2 比管1 短4m，氣流進(jìn)入管2 后經(jīng)5.3m 直接通過(guò)供氣配氣系統(tǒng)至排氣管，沒(méi)有得到足夠空間進(jìn)行緩沖，因此管2 以及排氣管2 壓力脈動(dòng)減小幅度較小，甚至在氣瓶組4+4分布方式下，排氣管2壓力脈動(dòng)幅度比原模型大。

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

4 計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化方法

4.1 原模型模擬結(jié)果

為便于對(duì)管網(wǎng)壓力脈動(dòng)情況分析，將穩(wěn)定后管網(wǎng)內(nèi)部監(jiān)測(cè)位置及供氣出口端的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。由圖5、圖6可知，管內(nèi)各監(jiān)測(cè)位置壓力脈動(dòng)隨時(shí)間變化為正弦曲線(xiàn)，各監(jiān)測(cè)位置的壓力脈動(dòng)峰值存在相位差，與越入口端相距越遠(yuǎn)，該位置截面的脈動(dòng)壓力峰峰值越小。管1 在距進(jìn)口0.1m 處壓力脈動(dòng)峰峰值約為3MPa，距進(jìn)口4.5m 處壓力脈動(dòng)峰峰值約為1.98MPa，距進(jìn)口9.5m 處壓力脈動(dòng)峰峰值約為0.7MPa，距進(jìn)口16m 處壓力脈動(dòng)峰峰值約為0.53MPa。管2 在距管1 進(jìn)口端的4.1m 處壓力脈動(dòng)峰峰值約為2.78MPa，6.6m 處壓力脈動(dòng)峰峰值約為2.4MPa，9.5m 處壓力脈動(dòng)峰峰值約為0.59MPa，16m 處壓力脈動(dòng)峰峰值約為0.46MPa。排氣管1 距管1 進(jìn)口端的12m 處壓力脈動(dòng)峰峰值約為0.8MPa，14.5m 處壓力脈動(dòng)峰峰值約為0.77MPa。排氣管2 距管1 進(jìn)口端的12m 處壓力脈動(dòng)峰峰值約為0.7MPa，14.5m 處壓力脈動(dòng)峰峰值約為0.705MPa。由圖7可知，兩個(gè)供氣管的出口端壓力脈動(dòng)幅度呈正弦曲線(xiàn)。供氣管1 最大壓力脈動(dòng)峰峰值約為15.5kPa，供氣管2 最大壓力脈動(dòng)峰峰值約為12kPa。

圖5 管網(wǎng)-氣瓶-管1、管2各監(jiān)測(cè)位置壓力脈動(dòng)對(duì)比圖

圖6 管網(wǎng)-氣瓶-排氣管各監(jiān)測(cè)位置壓力脈動(dòng)對(duì)比圖

圖7 管網(wǎng)-氣瓶-排氣管出口壓力脈動(dòng)圖

4.2 優(yōu)化方法及模擬結(jié)果

為降低管網(wǎng)脈動(dòng)壓力峰峰值，可采用增設(shè)消音器、改變氣瓶分布方式、減小進(jìn)口氣體流速、增大管徑等方法。考慮到港口充氣站設(shè)備布置調(diào)整的可操作性，提出兩種氣瓶分布方式：1）將整個(gè)氣瓶組往前移。2）將氣瓶組中8 個(gè)氣瓶分成4 個(gè)+4 個(gè)，依次在1 號(hào)、2 號(hào)壓縮機(jī)出口排列放置。將整個(gè)氣瓶組前移放置于鄰近1號(hào)、2號(hào)壓縮機(jī)，在壓縮機(jī)出口約0.1m 處連接管道，將管1、管2 部分氣流匯合后引向氣瓶組，這樣管1、管2長(zhǎng)度縮小至從壓縮機(jī)出口至供氣配氣系統(tǒng)。模型結(jié)構(gòu)如圖8 所示。將整個(gè)氣瓶組拆成4 個(gè)+4 個(gè)，依次排列放置于管1、管2進(jìn)口端，即氣流從管1、管2進(jìn)口后依次直接排至氣瓶中，管1、管2長(zhǎng)度縮小至從壓縮機(jī)出口至供氣配氣系統(tǒng)。模型結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 氣瓶組前移三維結(jié)構(gòu)圖

圖9 氣瓶組拆為4+4三維結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的驗(yàn)證，為節(jié)約計(jì)算成本，以管網(wǎng)+2個(gè)氣瓶為例，將3種不同網(wǎng)格系統(tǒng)按照網(wǎng)格數(shù)量從小到大分別為135 萬(wàn)，149 萬(wàn)和173 萬(wàn)，對(duì)同一工況進(jìn)行模擬，得到出口穩(wěn)定的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖4 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格數(shù)為149 萬(wàn)與173 萬(wàn)的模型模擬的出口壓力脈動(dòng)幾乎重合，并且三個(gè)網(wǎng)格數(shù)量下計(jì)算得出的出口壓力脈動(dòng)誤差分別為0.3%和0.07%，滿(mǎn)足誤差要求。因此，采用網(wǎng)管+2個(gè)氣瓶模型下網(wǎng)格數(shù)量為149萬(wàn)的網(wǎng)格模型。

圖10 管1、管2不同氣瓶分布方式壓力脈動(dòng)對(duì)比圖

圖11 排氣管1、排氣管2不同氣瓶分布方式壓力脈動(dòng)對(duì)比圖

表2 不同氣瓶分布方式下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)情況對(duì)比

由于管道與氣瓶直徑相差較大，因此采用分區(qū)域劃分。因管道單位網(wǎng)格尺寸較氣瓶小得多，排氣管的直徑比管1、管2直徑略微大些，則排氣管的單位網(wǎng)格尺寸較管1、管2稍大些，整個(gè)模型均采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，所生成的部分網(wǎng)格如圖3所示。

圖12 不同氣瓶分布方式排氣管1出口端壓力脈動(dòng)對(duì)比圖

圖13 不同氣瓶分布方式排氣管2出口端壓力脈動(dòng)對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

論文通過(guò)對(duì)港口高壓氣站的管網(wǎng)系統(tǒng)-氣瓶組進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算及管路內(nèi)、出口端的壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析優(yōu)化，研究了不同氣瓶分布方式對(duì)管內(nèi)以及管道出口處的壓力脈動(dòng)情況，得出下列結(jié)論：

1）充氣站高壓管道內(nèi)部各個(gè)位置穩(wěn)定后的壓力脈動(dòng)呈周期性，脈動(dòng)幅度與正弦曲線(xiàn)相似，不同位置的壓力脈動(dòng)峰值存在相位差。由脈動(dòng)大小可知，與管道入口相距越遠(yuǎn)，該位置截面的脈動(dòng)壓力峰峰值越小。

2）將氣瓶組前移至1號(hào)壓縮機(jī)和2號(hào)壓縮機(jī)之間，與原模型相比，管1、管2 和排氣管1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰峰值分別減小了36.54%、20.34%、20.44%，即使在排氣管2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)中增大了，也才增大2.2%，即總體上氣瓶組前移顯著降低了壓力脈動(dòng)。

經(jīng)典名著作為人類(lèi)文化與思想的集大成者，也是前人留給我們的寶貴的精神財(cái)富。初中階段作為學(xué)生學(xué)習(xí)與成長(zhǎng)的重要階段，通過(guò)閱讀經(jīng)典名著可以開(kāi)拓學(xué)生的視野與思維，同時(shí)可以提高其語(yǔ)文綜合素養(yǎng)與閱讀能力。由此新版教育部編語(yǔ)文教材十分重視名著選讀部分，與之前的教材相比，“名著選讀”的位置有所提前，同時(shí)增加了閱讀指導(dǎo)，由此說(shuō)明教育部門(mén)對(duì)學(xué)生閱讀能力的培養(yǎng)愈發(fā)重視，這也需要我們廣大一線(xiàn)語(yǔ)文教師更加關(guān)注名著導(dǎo)讀的教學(xué)。

3）氣瓶組為4+4分布方式與原模型相比，管1、管2和排氣管1監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰峰值分別減小了19.78%、7.63%、5.39%，但在排氣管2監(jiān)測(cè)點(diǎn)中增大了18.62%。

4）氣瓶組前移供氣管1 出口壓力脈動(dòng)峰峰值減小了約51.61%，排氣管2出口壓力脈動(dòng)峰峰值減小了約16.67%；氣瓶4+4 分布時(shí)，排氣管1 的出口壓力脈動(dòng)峰峰值增大至22.06kPa，排氣管2 出口端壓力脈動(dòng)峰峰值增大至21.16kPa。因此，可采用將氣瓶組前移的方法來(lái)降低管道壓力脈動(dòng)。