减压器动态仿真的有限体积模型

发布日期:
2020年2月14日
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研究背景

减压器是利用节流原理工作的部件,其作用是使流入的高压气体降压至工作要求的值并稳定在一定的压力范围内。以往的减压器模型一般有两个特点,一是压力微分方程通常是基于对理想气体状态方程的求导并采用等熵过程假设或等温过程假设推导得到,而非从可压缩瞬变流一维守恒形式的能量方程推导得到,其模型的最终形式过多依赖于理想气体状态方程,二是通常侧重于仿真阀芯的节流和稳压作用,而对高、低压腔以外的其它腔室的作用考虑的相对较少。相关研究对某膜片式减压器动态特性进行了详细研究,但没有对阻尼腔和卸荷腔单独建模;针对某逆向卸荷式减压器的四个腔室建立了压力微分方程,但在推导上采用了等温过程假设。从可压缩瞬变流一维守恒形式的方程出发,通过引入空间位置交错的两种有限控制体积,提出了一维可压缩瞬变流的有限元状态变量模型,虽然称为有限元模型,推导采用的方法在一维情况下也可称为有限体积法,为拓宽模型的应用范围,通过对能量方程在低马赫数时的简化获得了管道分支和容腔的压力微分方程,其方程是针对体积恒定的容腔推导的,不适用于变体积容腔。

气体减压器数学模型

图 1为某逆向卸荷膜片式减压器和某贮箱增压系统所用减压器的结构示

图 1 逆向卸荷膜片式和增压系统所用减压器示意图

意图,对前者进行了仿真,以下将以这两种减压器为例建立气体减压器的有限体积模型。

图 2为两种减压器的有限控制体积网格,其边界处为相连气体管道的边界网格,把减压器视为由高压腔、低压腔、阻尼腔和卸荷腔(或封闭腔 )四个气体容积组合而成,气体容积之间由局部流阻连接。由于阀芯直径远小于膜片

图 2 两种减压器的有限控制体积网格

直径,高压腔和低压腔的体积随阀芯的开合变化不大,可视为体积恒定的气体容积,阻尼腔和卸荷腔(或封闭腔)的体积随阀芯的开合变化较大,需要视为变体积气体容积。数学模型推导的基本思想:由于视减压器的四个腔室为气体容积,而气体容积模型中难以处理的状态参数是其速度项,因为对一个有多个入口和出口的容腔而言,不具备一个有确定值和明确物理意义的统一的速度,其中的流体必定是分区流动的,因此推导中采用压力、密度、节流处流量、入口流量、出口流量这些具有相对明确物理意义的物理量代替速度项的表达。

研究结论

减压器建模和编程时采用了通用建模和编程方法,即按照一定的规则进行参数定义,仿真时只需要给出待仿真减压器的参数输入文件,通过减压器类型识别变量,程序即可对给定类型的减压器进行仿真。前面介绍的逆向卸荷膜片式减压器和贮箱增压系统所用减压器对应的类型识别变量分别为1和 2,对前者的仿真结果表明有限体积模型的稳态精度合乎工程需要;对后者的仿真获得了减压器各个腔室状态参数和阀芯开度的响应曲线,这些曲线不仅可以研究减压器的节流和稳压作用,而且可以研究动态过程中各个腔室状态参数的变化情况。可见,气体减压器的有限体积模型及其建模方法显示出良好的有效性和通用性,具有良好的应用前景,以后的工作是针对特定减压器进行仿真并与动态试验数据进行对比以验证模型的动态精度并修正模型参数(例如流量系数)。此外,减压器的建模过程表明相关研究提出的有限元状态变量模型适用于对复杂管网的建模,在液体火箭发动机系统仿真上具有广泛的应用前景。[4]


减压器的构造和工作原理

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模型

模型是所研究的系统、过程、事物或概念的一种表达形式,也可指根据实验、图样放大或缩小而制作的样品,一般用于展览或实验或铸造机器零件等用的模子。模型的分类众多,可按用途、表现形式、产品属性等分类。