CN114417647A - 一种往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动计算方法，采用SolidWorks建立往复式压缩机动态压缩管路系统模型，ANSYS SpaceClaim抽取流体域，Mesh划分流体域和固体域网格，最终借助CFX软件进行仿真计算。本发明方法通过CFX软件实现对往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动的计算，得到往复式压缩机内流体在各个节点处的压力脉动曲线，一定程度上解决往复式压缩机仿真模型的不全面性与计算结果不精确性的问题。

Description

一种往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动计算方法
技术领域
本发明提供一种往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动计算方法，属于往复式压缩机气流脉动研究领域。
背景技术
往复式压缩机是石化行业重要的设备之一，由于其压缩比大、压力适应范围广、效率高、环境适应性强等特点，广泛用于天然气的开采和输送领域。
往复式压缩机气缸周期性吸排气的工作特性，导致排出气体的压力和流速呈现周期性变化。当管路系统中的脉动气体流经异径管、弯管和三通管时，会对管道产生激振力，引发管路系统的振动。当激振力频率和管路系统的固有频率相近时，产生共振，引发管系的剧烈振动，易导致管道和缓冲罐焊接部位、法兰连接等部位发生开裂，引发安全事故。因此，开展往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动的研究必不可少。
目前，气流脉动计算方法主要为数值仿真分析和实验分析，但实验分析要求苛刻，难度较大。因此，计算流体软件成为计算气流脉动的重要手段。目前，大部分往复式压缩机气流脉动计算模型仅考虑管路部分或气缸部分，忽略了压缩机动态压缩过程，使得分析不够全面，计算结果精度不高。因此，提出一种往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动计算方法，提高数值仿真分析结果精度。
发明内容
为了解决目前计算方法中存在的问题，本发明采用以下技术方案：一种往复式压缩机动态压缩流域系统的气流脉动计算方法，包括以下步骤：
1)建立几何模型：根据往复式压缩机结构参数，利用SolidWorks建立往复式压缩机动态压缩管路系统的三维几何模型；
2)流体域抽取和网格划分：采用ANSYS Workbench建立CFX分析步，将1)中的三维模型导入ANSYS SpaceClaim，抽取往复式压缩机动态压缩管路系统的流体域，简化活塞、气阀固体域结构；在Mesh中对各个边界命名，采用Tetrahedrons网格划分方法划分流体域和固体域，检查网格质量，得到满足要求的网格文件；
3)流体域系统物理定义：在CFX-Pre中打开2)的网格文件，打开Analysis Type模块定义分析方法为Transient，定义求解时间和求解时间步；定义流体域介质为CH4 IdealGas，设置湍流模型为k-Epsilon；定义流体域边界条件，活塞、气阀固体域的边界与运动函数，设定模型初始化条件；
4)求解控制和输出结果控制：在Solver Control模块中，设置求解格式为高阶求解模式，最大迭代步数为10，最大收敛残差值为0.0001；在Output Control模块中，选择压力、温度和流速为瞬态输出变量；在CFX-Solver中，设置Direct Start和并行运算，开始计算，在工作界面观察变量残差和求解信息，查看收敛情况和能量守恒情况；
5)CFX-Post结果后处理：在CFX-Post中生成压力云图，并提取监测点处压力值，生成压力脉动曲线。
进一步的，1)中，往复式压缩机动态压缩管路系统的几何模型包括：进排气管道、进排气缓冲罐、分离器、孔板、气缸、活塞和气阀。
进一步的，2)中，采用Body Of Influence对气缸动态压缩流域进行网格加密，活塞、气阀等固体域采用不同尺寸的网格进行划分：活塞网格尺寸为0.003mm、气阀网格尺寸为0.0013mm；
进一步的，3)中，定义流体域边界条件包括：定义流体出口为质量流量出口，流体进口温度为Total Temperature，温度大小为305K；流体进口压力为Total Pressure，压力大小为：1848000[Pa]+abs(sin(157*t/1[s])*30000[Pa])。
进一步的，3)中，活塞、气阀固体域的边界与运动函数包括：设置活塞、气阀固体域为Immersed Solid，活塞最大行程位移为S1，压缩机工作周期为T，建立活塞运动函数为：(1-cos(2π*t/1*T[s])*S1*1[m])；采用areaAve函数求解得到气阀内壁面的平均压力，当气阀内壁面的平均压力小于进气压力，进气阀打开，否则关闭；当气阀内壁面的平均压力大于排气压力，排气阀打开，否则关闭；进排气阀门的最大位移S2，建立进气阀运动函数为：FJ＝if(F1<＝1.848e6[Pa]，-S2[m]，0[m])；建立排气阀运动函数为：FP＝if(F1>＝2.77e6[Pa]，S2[m]，0[m])。
进一步的，3)中，设定模型初始化条件包括：以靠近进气管道侧的气缸为参考，建立进排气段初始化压力为：Press＝if(x<＝0.3[m]，if(y<＝-0.113[m]，2.87[MPa]，1.848[MPa])，1.848[MPa])，初始化温度为：Temp＝if(x<＝0.3[m]，if(y<＝-0.113[m]，350[K]，305[K])，305[K])。
本方法所建立的往复式压缩机动态压缩管路系统模型，考虑了气阀、阀腔以及活塞的动态压缩过程；利用上述方法实现了往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动的计算，一定程度上解决了往复式压缩机仿真模型的不全面性与计算结果不精确性的问题。
附图说明
图1为本发明一种往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动计算方法的流程图。
图2为实施案例中往复式压缩机动态压缩全管路系统三维几何模型。
图3为实施案例中往复式压缩机动态压缩流域系统网格划分图。
图4为实施案例中往复式压缩机气缸内活塞、气阀网格图
图5为实施案例中往复式压缩机动态压缩流域系统压力云图。
图6为实施案例中往复式压缩机动态压缩流域系统压力脉动曲线图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的解释。如图1所示，一种往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动计算方法流程图，具体步骤包括：
1)几何模型：根据往复式压缩机结构参数，利用SolidWorks建立考虑气阀、阀腔和活塞的往复式压缩机动态压缩管路系统的三维几何模型，如图2所示，包括：进排气管道、进排气缓冲罐、分离器、孔板、气缸、活塞和气阀；
2)流体域抽取和网格划分：采用ANSYS Workbench建立CFX分析步，将1)中的几何模型导入到ANSYS SpaceClaim，抽取往复式压缩机动态压缩管路系统的流体域，简化活塞、进排气阀等固体域结构；在Mesh中对各个边界命名，采用Tetrahedrons网格划分方法划分流体域和固体域；采用Body Of Influence对气缸动态压缩流域进行网格加密，活塞、气阀固体域采用不同尺寸的网格进行划分，如图3所示，全域采用自动网格生成，尺寸系统默认；如图4所示，活塞网格尺寸为0.003mm，气阀网格尺寸为0.0013mm；
3)流体域系统物理定义：在CFX-Pre中打开2)的网格文件，在Analysis Type模块中，定义分析方法为Transient，求解时间为0.16s，时间步长为3.2e-5s；定义流体域介质为CH4 Ideal Gas，设置湍流模型为k-Epsilon，设置整个流体域初始压力为1848000Pa；
定义流体出口为质量流量出口，定义流体进口温度为Total Temperature，大小为305K；定义流体进口压力为Total Pressure，压力大小为：1848000[Pa]+abs(sin(157*t/1[s])*30000[Pa])；定义活塞、气阀固体域为Immersed Solid，选进气管道侧的活塞杆端面中心，建立相对坐标系；活塞行程位移为S1＝0.0445m，压缩机工作周期T＝0.04s，建立活塞运动函数为：(1-cos(157*t/1[s])*0.0445*1[m])；
采用areaAve函数求解得到气阀内壁面的平均压力，进排气阀最大位移S2＝0.0033m，建立进气阀运动函数为：FJ＝if(F1<＝1.848e6[Pa]，-0.0033[m]，0[m])；排气阀运动函数：FP＝if(F1>＝2.77e6[Pa]，0.0033[m]，0[m])；
选靠近进气管道侧气缸上一点(0.3m，-0.113m)为参考，建立进排气段初始化压力为：Press＝if(x<＝0.3[m]，if(y<＝-0.113[m]，2.87[MPa]，1.848[MPa])，1.848[MPa])；初始化温度为：Temp＝if(x<＝0.3[m]，if(y<＝-0.113[m]，350[K]，305[K])，305[K])；
4)求解控制和输出结果控制：在Solver Control模块中，设置求解格式为高阶求解模式，最大迭代步数为10，最大收敛残差值为0.0001；在Output Control模块中，选择压力、温度和流速为瞬态输出变量；在CFX-Solver中，设置Direct Start和并行运算，开始计算，在工作界面观察变量残差和求解信息，查看收敛和能量守恒情况；
5)CFX-Post结果后处理：在CFX-Post中生成压力云图，如图5所示；并提取监测点处压力值，生成压力脉动曲线，如图6所示。
最后需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (6)

1.一种往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立几何模型：根据往复式压缩机结构参数，利用SolidWorks建立往复式压缩机动态压缩管路系统的三维几何模型；
2)流体域抽取和网格划分：采用ANSYS Workbench建立CFX分析步，将1)中的三维模型导入ANSYS SpaceClaim，抽取往复式压缩机动态压缩管路系统的流体域，简化活塞、气阀固体域结构；在Mesh中对各个边界命名，采用Tetrahedrons网格划分方法划分流体域和固体域，检查网格质量，得到满足要求的网格文件；
3)流体域系统物理定义：在CFX-Pre中打开2)的网格文件，打开Analysis Type模块定义分析方法为Transient，定义求解时间和求解时间步；定义流体域介质为CH4 Ideal Gas，设置湍流模型为k-Epsilon；定义流体域边界条件，活塞、气阀固体域的边界与运动函数，设定模型初始化条件；
4)求解控制和输出结果控制：在Solver Control模块中，设置求解格式为高阶求解模式，最大迭代步数为10，最大收敛残差值为0.0001；在Output Control模块中，选择压力、温度和流速为瞬态输出变量；在CFX-Solver中，设置Direct Start和并行运算，开始计算，在工作界面观察变量残差和求解信息，查看收敛和能量守恒情况；
5)CFX-Post结果后处理：在CFX-Post中生成压力云图，并提取监测点处压力值，生成压力脉动曲线。
2.根据权利要求1所述的一种往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动计算方法，其特征在于，所述步骤1)中，往复式压缩机动态压缩管路系统的几何模型包括：进排气管道、进排气缓冲罐、分离器、孔板、气缸、活塞和气阀。
3.根据权利要求1所述的一种往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动计算方法，其特征在于，所述步骤2)中，采用Body Of Influence对气缸动态压缩流域进行网格加密，活塞、气阀等固体域采用不同尺寸的网格进行划分：活塞网格尺寸为0.003mm，气阀网格尺寸为0.0013mm。
4.根据权利要求1所述的一种往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动计算方法，其特征在于，所述步骤3)中，定义流体域边界条件包括：定义流体出口为质量流量出口，流体进口温度为Total Temperature，温度大小为305K；流体进口压力为Total Pressure，压力大小为：1848000[Pa]+abs(sin(157*t/1[s])*30000[Pa])。
5.根据权利要求1所述的一种往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动计算方法，其特征在于，所述步骤3)中，设定活塞、气阀固体域的边界与运动函数包括：设置活塞、气阀固体域为Immersed Solid，活塞最大行程位移为S1，压缩机工作周期为T，建立活塞运动函数为：(1-cos(2π*t/1*T[s])*S1*1[m])；采用areaAve函数求解得到气阀内壁面的平均压力，当气阀内壁面的平均压力小于进气压力，进气阀打开，否则关闭；当气阀内壁面的平均压力大于排气压力，排气阀打开，否则关闭；进排气阀门的最大位移S2，建立进气阀运动函数为：FJ＝if(F1<＝1.848e6[Pa]，-S2[m]，0[m])；建立排气阀运动函数为：FP＝if(F1>＝2.77e6[Pa]，S2[m]，0[m])。
6.根据权利要求1所述的一种往复式压缩机动态压缩流域系统气流脉动计算方法，其特征在于，所述步骤3)中，设定模型初始化条件包括：以靠近进气管道侧的气缸为参考，建立进排气段初始化压力为：Press＝if(x<＝0.3[m]，if(y<＝-0.113[m]，2.87[MPa]，1.848[MPa])，1.848[MPa])，初始化温度为：Temp＝if(x<＝0.3[m]，if(y<＝-0.113[m]，350[K]，305[K])，305[K])。
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