活塞压缩机气流脉动数值模拟及实验验证 - 图文

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2.3数值计算程序设计

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本文数学模型是以等截面管道内气流为分析对象建立起来的,所以只能对等截面管道划分网格进行计算。而实际管道系统还有突变截面、容器、孔板、阀门等元件,这些非等截面管道元件将整个管路分割成不同长度的管段,管段内部都是用二阶精度的差分格式计算,管段与非等截面管道元件的联接处,流动条件发生变化,必须用特征线法处理才能计算出联接处的参数,使下游管路的计算得以继续进行。实际管道系统要分段计算,各元件有独自的结构参数,又必须单独处理它们,所以设计程序时是用结构离散化的思路,对管道系统各种常见元件分别编写处理程序,通过专门开发的识别程序,判断这些元件联接起来,完成整个管路的计算。

等截面管内部使用Lax-Wendroff差分格式,这种算法易于开发通用性高的子程序,不同的管段只需单独调用。非等截面元件须用特征线法处理,特征线法的优点是可以计算复杂的流道、各种边界条件,但处理过程非常繁琐,而且有方向问题,编写程序时必须判断特征线方向,要求严谨的设计逻辑,增加了编程的难度和复杂度。

程序是按结构离散化思想设计的,因此使用程序计算实际的管路时,也要对管路结构进行离散化处理,即将一个复杂的管道系统根据管道元件的属性划分为如等截面管、突变截面、容器、孔板等元件。程序框图如图 2-13所示,框图中的控制参数是指各等截面管道的网格数,各单元的网格数可任意给定,单元内部网格按均等原则划分。

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2.4计算参数设置

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2.4.1管路结构简化处理

实验台压缩机排气经气阀安装孔和阀腔流出气缸体,气阀安装孔很短,阀腔结构复杂,由于是一维网格划分,因此要对这部分结构作简化处理:气阀安装孔和阀腔都折合成一段直管,内径和气缸法兰连接管相同,折合直管的容积等于气阀安装孔与阀腔体积之和。如图 2-14所示,简化后气缸排气口至缓冲器进口的管道AB是等截面管,长度为0.84m、内径为0.12m;管段CD长度为8.6m、内径为0.065m。

2.4.2边界条件及初值的给定

计算工况参数为实测参数,实测压缩机转速为458.5r·min-1,进气压力0.28MPa(绝对压力),测点1压阀盖处压力传感器最靠近气缸排气口,将其所测动态压力的平均值作为气缸排气压力,实测为0.644MPa(绝对压力),则压缩机压比为2.3。压缩机转速和压比是两个重要参数,转速决定排气激发频率和激发速度,压比决定压缩过程时间和气阀开启角,曲轴旋转到一定角度,气缸内压力高于气阀外压力时,气阀才会打开。给定计算管路的开始端点为压缩机排气端边界,转速和压比为实测值。储气罐排气阀门处压力为0.62MPa(绝对压力),于是给定计算管路末端点压力为0.62MPa的常压开口边界。并将此压力作为初值赋给计算管路各网格节点。

图 2--15是实验台管路一个测点处使用非定常方法计算出的压力脉动波形。

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