1、 4 應用CFD技術解決軸流壓縮機放空管路振動噪聲問題 冀春俊張鵬剛/大連理工大學動力工程系 摘要：針對某軸流壓縮機放空管道在生產過程中振動劇烈、噪聲大的實際問題，應用CFD軟件對其內部流 動進行了數值模擬，并據此改進了原設計，對改進方案的數值模擬，解決了噪聲大的問題。 關鍵詞：計算流體力學；數值模擬；放空旁路管道 中圖分類號：TH48文獻標識碼 B 文章編號：1006-8155 （ 2007） 05-0059-04 The Application of CFD Technique in Vibration and Noise Problem of the By-pass Tube Syste

2、m of Axial-flow Compressor Abstract: Accord ing to the practical problem of heavy vibrati on and no ise of the by-pass tube of an axial-flow compressor duri ng the product ion, the CFD software is applied to nu merically simulate the in ternal flow. So the original design is modified and improved. T

3、he improvement plan is simulated numerically and solves the problem of heavy no ise effectively. Key words: CFD; nu merical simulati on; by-pass tube system 0引言 某石油化工有限公司，為滿足催化裝置擴能改造的需要，于2001年3月，對催化軸流壓縮機進行了擴 容改造。改造后風量提高了30%機組運行良好。然而在日常生產中發(fā)現，改造后軸流壓縮機放空管道振 動劇烈，噪聲很大。這不僅威脅著生產設備的安全運行和使用壽命，同時噪聲也嚴重地污染著廠區(qū)的環(huán)

4、境。 改進放空管道的設計成了一個實際而又緊迫的問題。初步分析認為管路內部流動存在問題，為了從根本上 解決問題，需要對管路內部的流動進行詳細的計算分析。目前，商業(yè)CFD軟件可以完成這一工作1。本文 應用STAR-CD對放空管道的內部流動進行了數值模擬，流動分析的結果揭示了管道劇烈振動和噪聲大的原 因。在此基礎上對放空管道重新設計并進行流動分析。計算結果顯示上述問題得到了解決，經工廠的生產 實踐證明改進設計方案是成功的。 1原設計方案的數值模擬及流動分析 由于噪聲，振動與管道中流體流動之間的密切關系2，本文決定對管道中的流動進行數值模擬以揭示 其原因。 1.1控制方程及計算模型 計算流體力學（CF

5、D ）方法是對流場的控制方程用計算數學的方法將其離散到一系列網格節(jié)點或中心 上求其數值解的一種方法。這些控制方程分別為連續(xù)性方程，動量方程和能量方程。它們聯(lián)立組成的方程 組稱為N-S方程組，是流體流動所遵守的普遍規(guī)律3。 aa 連續(xù)性方程：ej）二為（1） +jktPNL 本構關系: p =2SjUi 無,Pb ,Pnl UiUj巴一 p上已豈旦 】Xj3 xi 叫:X 式中p為空氣密度；U為速度；p為壓力; 為流體動力粘性系數；.jj為應力張量；sij為應變率張量; i,j,k=1,2,3, ； Sm為動量源分量；k為湍流動能；g為湍流耗散率；岀為紊流粘性系數。式（3）、（4）中的 首先，根

6、據廠方提供的數據，建立了放空管道的三維實體模型（見圖1 ）；然后，對幾何實體進行網格 劃分（見圖2）。 圖1原管道的三維圖 圖2原管道的網格及邊界條件 右邊第一項表示有剪切和法向應力及重力產生的紊流；第二項表示粘性耗散；第三項表示壓縮性的影響； 最后一項表示非線性的影響。即pNL =0時表示線性模型。 為了保證計算精度和效率，在劃分網格時采用了正交性很好的0型網格。求解時控制方程選為全三維 的雷諾平均N-S方程、連續(xù)方程、能量守恒方程和理想氣體控制方程及高雷諾數的k- 湍流模型（根據雷 諾數定義：Re = ；vd計算得出Re=4.56 x 106）。在近壁面區(qū)域用壁面函數來處理。工質空氣認為是

7、理想流體， 由于流速較高，只能作為可壓縮流處理。取密度為壓力和溫度的函數p=f（T,p）。按照已知條件在進出口處 設定邊界條件，其中進口邊界類型為INLET邊界，給定氣流的速度、靜溫、密度、湍流強度和尺度系數等。 出口邊界類型為PRESSURE界，僅給定氣流的背壓、湍流強度和尺度系數。算法采用基于壓力修正的SIMPLE 算法。 1.2 結果分析 原管道的數值計算結果如圖 3圖6所示。從圖5得出：（1）在三通1后面形成了一個大的漩渦，從 而對旁路中氣體的通流起到了阻塞作用。由于渦團的阻塞作用，旁路中氣體的流速非常低，通過旁路的氣 體很少，所以氣體大部分通過主路排出。而主路截面積較小，造成主路閥門

8、處的速度過大；（2）氣體經過 三通2時直接沖擊管壁，并在后面形成了一個大的漩渦。由于上述兩個大的漩渦作用，可對管道產生較大 的激振力以加劇管道的振動，同時可產生比較大的渦流噪聲2并使流動情況變差；（3）在主路的閥門處， 是管道中速度的最大處，已經超過音速（Ma1）,形成了激波，這可以從圖 4和圖6中明顯地看出。由于 激波的作用，使氣流流動的噪聲加大，同時也對管道的振動起到了加劇的作用。通過上述的分析發(fā)現，原 來的管道設計不合理是造成其中流動情況惡劣的主要原因，也是管路振動和噪聲過大的主要原因，必須改 進其設計方案才能解決存在的問題。 I LKM I創(chuàng) 的口 H2DEi 摯33 JI 1T 如比

9、 M 旦一 圖7改進方案管道的三維幾何模型 圖5原管道的速度分布放大圖 圖6原管道的馬赫數分布放大 2改進方案的數值模擬及流動分析 根據原來管道的數值模擬結果和分析，在征求廠方意見后確定了放空管道的改進方案。圖7是改進方 案的三維幾何模型。管道的主要改進：（1對主路處管徑進行了加粗；（2）支路和主路分開處的連接由原 來的三通變?yōu)閵A角為 45連接；（3）將支路轉至主路的上方，和下面的主路平行布置，支路和主路的匯合 處移到管道的垂直段；（4）管道各處的轉彎半徑進行了加大。為了節(jié)約改進費用， 廠方不希望更換閥門（閥 門為電磁閥，價格較高），故在改進方案中仍采用原有的閥門。 對新建立的三維幾何實體進行

10、網格劃分，并且正確的設置計算模型。經計算后得到計算結果如圖8 圖12所示。 由圖8圖12得出： （1 ）新方案管道的氣體流動情況明顯改善，漩渦大大減弱，只在主路和支路分開的地方存在一個小 的漩渦，所以由漩渦產生的渦流噪聲2將減小。由于沒有了氣流直接沖擊管壁和大的漩渦，管道的振動將 大為緩解; （2）流動從超音速變?yōu)閬喴羲伲ㄗ畲篑R赫數降為 降低； 0.6左右）。沒有了激波的存在，將使氣動噪聲顯著 圖8改進方案管道的三維速度分布 圖9改進方案管道的馬赫數分布 圖10改進方案管道速度分布放大圖A （中剖面） PKOETAF! 3.11=1 儷潔 inn “皿 jnr J Jldt： 02J?B 0冊

11、 a I 57D 0.114B 圖11改進方案管道馬赫數分布放大圖（中剖面） 圖12改進方案管道速度分布放大圖B 5 （3）主路的閥門處仍舊是速度最大處。如果可能的話，建議廠方更換大的閥門，這樣將使流動情況 進一步改進。將主路和支路交匯后的豎直段加粗，也可使流動進一步改善。 3 結論 （1）根據數值模擬結果分析可知，新方案管道中氣體流動比原有管道中氣體流動情況好得多。漩渦 明顯減弱可使振動明顯減輕，最大馬赫數由超音速降至 0.6 左右，將大大減輕氣動噪聲和管路振動。 （2）根據廠方提供的反饋意見，自從管道改進設計以后其振動和噪聲大大降低。實際運行情況再次 表明這是一次成功的改進設計。 參考文獻 1 John D. Anderson, Jr. Computational Fluid Dynamics The Basics with Applicatio