采用數(shù)值模擬方法研究了真空背壓下多截面細(xì)徑管的氣體流動(dòng)問(wèn)題，并結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)管內(nèi)氣體流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：在初始時(shí)間段，容器壓力下降較快，細(xì)徑管內(nèi)氣體處于流動(dòng)壅塞狀態(tài)，壅塞狀態(tài)穩(wěn)定后，流速下降緩慢，使得壅塞流動(dòng)狀態(tài)可以持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間;壅塞狀態(tài)下，容器壓力隨時(shí)間呈對(duì)數(shù)衰減關(guān)系，容器壓力越小，壅塞狀態(tài)持續(xù)時(shí)間越短。同時(shí)，壅塞狀態(tài)下截面突變區(qū)域出現(xiàn)了膨脹波和超聲速環(huán)。隨著容器壓力的進(jìn)一步下降，導(dǎo)管入口的流速降低以及導(dǎo)管長(zhǎng)度小于臨界管長(zhǎng)，不足以使氣流加速到音速，產(chǎn)生壅塞條件不足，導(dǎo)管Ⅱ內(nèi)的壅塞狀態(tài)率先結(jié)束，導(dǎo)管Ⅲ和導(dǎo)管Ⅰ內(nèi)的壅塞現(xiàn)象依次消失。細(xì)徑管內(nèi)氣體轉(zhuǎn)為層流狀態(tài)，容器壓力下降較慢。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，為多截面細(xì)徑管內(nèi)氣體流動(dòng)特性分析提供依據(jù)。

　　在航空航天、國(guó)防軍事以及工業(yè)領(lǐng)域，細(xì)徑管路得到了廣泛的應(yīng)用。因受空間限制，細(xì)徑管路系統(tǒng)中存在多處截面過(guò)渡區(qū)域，管徑變化多，形狀復(fù)雜，流場(chǎng)速度梯度較大，粘性耗散作用明顯。因此，如何提高細(xì)徑管路的流動(dòng)效率是一個(gè)難點(diǎn)。氣體通過(guò)管道已經(jīng)被廣泛研究，高壓或大氣環(huán)境下，李軍結(jié)合氣動(dòng)充放氣系統(tǒng)的實(shí)際情況，提出一種考慮摩擦和傳熱的一維非定常流場(chǎng)方法。Jason通過(guò)對(duì)絕熱氣體流動(dòng)和等溫氣體流動(dòng)分析，研究了等直徑管路的天然氣壅塞現(xiàn)象，提出管道燃?xì)庠趦煞N流動(dòng)下最大流量的估算方法。劉慶堂研究了天然氣流動(dòng)時(shí)變徑管道壅塞流動(dòng)特性分析，引入臨界壓強(qiáng)比，建立了臨界壅塞的判定條件，建立了壅塞流動(dòng)狀態(tài)下的流量計(jì)算公式。丁英濤采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的手段研究了微型噴管內(nèi)氣體的流動(dòng)特性。低壓環(huán)境下，周曉對(duì)不同真空管道阻塞比條件下高速列車(chē)車(chē)體的空氣阻力進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出真空管道內(nèi)阻塞比對(duì)列車(chē)空氣阻力的影響規(guī)律。劉加利深入系統(tǒng)地研究了真空管道高速列車(chē)氣動(dòng)阻力特性和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，研究了管道壓力、阻塞比和列車(chē)速度對(duì)列車(chē)氣動(dòng)阻力的影響。然而通過(guò)細(xì)徑管從中低壓到真空環(huán)境中的流動(dòng)研究甚少，目前已知僅有廖彬通過(guò)試驗(yàn)的手段對(duì)帶細(xì)徑導(dǎo)管的容器放氣性能影響因素進(jìn)行了研究，指出了容器的放氣速率與氣體種類(lèi)、管道長(zhǎng)度和截面尺寸、背壓等因素的關(guān)系。

　　本文對(duì)真空背壓下多截面細(xì)徑管的氣體流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬，并結(jié)合理論方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)多截面細(xì)徑管的氣體流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。

1、數(shù)值模型與計(jì)算方法

　　放氣過(guò)程中，放氣容器內(nèi)充入0.6MPa氣體，通過(guò)不同幾何尺寸的細(xì)徑管排氣到真空室里。實(shí)際應(yīng)用中，不同尺寸的細(xì)徑管通過(guò)閥門(mén)連接，使得流動(dòng)情況比較復(fù)雜，進(jìn)行完全數(shù)值模擬比較困難，因此對(duì)流動(dòng)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，模型中包括容器、三段不同內(nèi)徑不同長(zhǎng)度的細(xì)徑管、3m×3m 的模擬真空區(qū)域，如圖1所示。由于簡(jiǎn)化后的模型結(jié)構(gòu)以及氣體流動(dòng)是軸對(duì)稱的，所以將數(shù)值模擬簡(jiǎn)化為二維計(jì)算。

　　數(shù)值模擬采用商業(yè)軟件FLUENT，基于有限體積法對(duì)圖1的模型進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算域與網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。計(jì)算初始條件為：容器內(nèi)初始?jí)毫��?.6MPa，細(xì)徑管與模擬真空區(qū)域的初始?jí)毫��?00Pa。計(jì)算湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 湍流模型并封閉方程組，考慮到細(xì)徑管內(nèi)流場(chǎng)速度梯度較大，溫度和動(dòng)量方程強(qiáng)烈耦合，對(duì)溫度和密度所用的亞松弛因子進(jìn)行了亞松弛，壁面邊界均采用絕熱條件和無(wú)滑移邊界條件。

圖1　數(shù)值模型示意圖

圖2　網(wǎng)格劃分示意圖

3、結(jié)論

　　本文對(duì)真空背壓下多截面細(xì)徑管的氣體流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬，并結(jié)合理論方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)多截面細(xì)徑管的氣體流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。主要有以下結(jié)論：

　　(1)在初始時(shí)間段，容器壓力下降較快，細(xì)徑管內(nèi)氣體處于流動(dòng)壅塞狀態(tài)，壅塞穩(wěn)定后，細(xì)徑管內(nèi)的流速下降緩慢，使得壅塞流動(dòng)狀態(tài)可以持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間;壅塞狀態(tài)下，容器壓力隨時(shí)間呈對(duì)數(shù)衰減關(guān)系，容器壓力越小，壅塞狀態(tài)持續(xù)時(shí)間越短，此外，壅塞狀態(tài)下截面突變區(qū)域出現(xiàn)了膨脹波和超聲速環(huán)。

　　(2)導(dǎo)管入口的流速降低以及導(dǎo)管長(zhǎng)度小于臨界管長(zhǎng)，不足以使氣流加速到音速，產(chǎn)生壅塞條件不足，從而壅塞現(xiàn)象消失。

　　(3)導(dǎo)管Ⅱ內(nèi)的壅塞狀態(tài)率先結(jié)束，導(dǎo)管Ⅲ和導(dǎo)管Ⅰ內(nèi)的壅塞現(xiàn)象依次消失。這與導(dǎo)管的幾何尺寸有關(guān)。

　　(4)隨著容器壓力的進(jìn)一步下降，細(xì)徑管內(nèi)氣體處于層流狀態(tài)，容器壓力下降較慢，主要是因?yàn)闅饬鞯牧魉偈軐?dǎo)管截面積和長(zhǎng)度的限制而顯著降低。

　　(5)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，為多截面細(xì)徑管內(nèi)氣體流動(dòng)特性分析提供依據(jù)。