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1、1应用 CFD技术解决轴流压缩机放空管路振动噪声问题摘要：针对某轴流压缩机放空管道在生产过程中振动剧烈、噪声大的实际问题，应用 CFD 软件对其内部流动进行了数值模拟，并据此改进了原设计，对改进方案的数值模拟，解决了噪声大的问题。关键词：计算流体力学；数值模拟 ；放空旁路管道The Application of CFD Technique in Vibration and Noise Problem of the By-pass Tube System of Axial-flow CompressorAbstract: According to the practical problem of
2、 heavy vibration and noise of the by-pass tube of an axial-flow compressor during the production, the CFD software is applied to numerically simulate the internal flow. So the original design is modified and improved. The improvement plan is simulated numerically and solves the problem of heavy nois
3、e effectively.Key words: CFD; numerical simulation; by-pass tube system0 引言某石油化工有限公司,为满足催化装置扩能改造的需要，于 2001 年 3 月，对催化轴流压缩机进行了扩容改造。改造后风量提高了 30%，机组运行良好。然而在日常生产中发现，改造后轴流压缩机放空管道振动剧烈，噪声很大。这不仅威胁着生产设备的安全运行和使用寿命，同时噪声也严重地污染着厂区的环境。改进放空管道的设计成了一个实际而又紧迫的问题。初步分析认为管路内部流动存在问题，为了从根本上解决问题，需要对管路内部的流动进行详细的计算分析。目前，商业 CFD
4、 软件可以完成这一工作 1。本文应用 STAR-CD 对放空管道的内部流动进行了数值模拟，流动分析的结果揭示了管道剧烈振动和噪声大的原因。在此基础上对放空管道重新设计并进行流动分析。计算结果显示上述问题得到了解决，经工厂的生产实践证明改进设计方案是成功的。1 原设计方案的数值模拟及流动分析由于噪声，振动与管道中流体流动之间的密切关系 2，本文决定对管道中的流动进行数值模拟以揭示其原因。1.1 控制方程及计算模型计算流体力学（CFD）方法是对流场的控制方程用计算数学的方法将其离散到一系列网格节点或中心上求其数值解的一种方法。这些控制方程分别为连续性方程，动量方程和能量方程。它们联立组成的方程组称
5、为 N-S 方程组，是流体流动所遵守的普遍规律 3。连续性方程： （1）mjjsuxt)(动量方程： (2)iiijijji sxpt )()(湍流能量方程(k- 模型)：(3)NLtiit ithijiitjktjj pxuk xpgxusx )(32 )12()() ,湍流耗散率方程(k- 模型)：2(4)LNtiBtiitt jtjj pkCxukCPkxukPkCx 14231 )(32)( 本构关系：, ,jiixusp2ithiBxgp1, )(32itijijitNL xupxup 式中 为空气密度；u 为速度；p 为压力； 为流体动力粘性系数； 为应力张量； 为应变率张ijij
6、s量；i,j,k =1,2,3, ； 为动量源分量； k 为湍流动能； 为湍流耗散率； 为紊流粘性系数。式（3） 、ms t（4）中的右边第一项表示有剪切和法向应力及重力产生的紊流；第二项表示粘性耗散；第三项表示压缩性的影响；最后一项表示非线性的影响。即 =0 时表示线性模型。NLp首先，根据厂方提供的数据，建立了放空管道的三维实体模型（见图 1） ；然后，对几何实体进行网格划分（见图 2） 。为了保证计算精度和效率，在划分网格时采用了正交性很好的 O 型网格。求解时控制方程选为全三维的雷诺平均 N-S 方程、连续方程、能量守恒方程和理想气体控制方程及高雷诺数的 k- 湍流模型（根据雷诺数定义
7、：Re 计算得出 Re=4.56106） 。在近壁面区域用壁面函数来处理。工质空气认为是理vd想流体，由于流速较高，只能作为可压缩流处理。取密度为压力和温度的函数 =f(T,p)。按照已知条件在进出口处设定边界条件，其中进口边界类型为 INLET 边界，给定气流的速度、静温、密度、湍流强度和尺度系数等。出口边界类型为 PRESSURE 边界，仅给定气流的背压、湍流强度和尺度系数。算法采用基于压力修正的 SIMPLE 算法。1.2 结果分析 原管道的数值计算结果如图 3图 6 所示。从图 5 得出：（1）在三通 1 后面形成了一个大的漩涡，图 1 原管道的三维图 图 2 原管道的网格及边界条件3
8、从而对旁路中气体的通流起到了阻塞作用。由于涡团的阻塞作用，旁路中气体的流速非常低，通过旁路的气体很少，所以气体大部分通过主路排出。而主路截面积较小，造成主路阀门处的速度过大；（2）气体经过三通 2 时直接冲击管壁，并在后面形成了一个大的漩涡。由于上述两个大的漩涡作用，可对管道产生较大的激振力以加剧管道的振动，同时可产生比较大的涡流噪声 2并使流动情况变差；（3）在主路的阀门处，是管道中速度的最大处，已经超过音速（Ma1） ，形成了激波，这可以从图 4 和图 6 中明显地看出。由于激波的作用，使气流流动的噪声加大，同时也对管道的振动起到了加剧的作用。通过上述的分析发现，原来的管道设计不合理是造成
9、其中流动情况恶劣的主要原因，也是管路振动和噪声过大的主要原因，必须改进其设计方案才能解决存在的问题。 2 改进方案的数值模拟及流动分析根据原来管道的数值模拟结果和分析，在征求厂方意见后确定了放空管道的改进方案。图 7 是改进方案的三维几何模型。管道的主要改进：（1）对主路处管径进行了加粗；（2）支路和主路分开处的连接由原来的三通变为夹角为 45连接；（3）将支路转至主路的上方，和下面的主路平行布置，支路和主路的汇合处移到管道的垂直段;（4）管道各处的转弯半径进行了加大。为了节约改进费用，厂方不希望更换阀门（阀门为电磁阀，价格较高） ，故在改进方案中仍采用原有的阀门。对新建立的三维几何实体进行网
10、格划分，并且正确的设置计算模型。经计算后得到计算结果如图 8图 12 所示。由图 8图 12 得出：（1）新方案管道的气体流动情况明显改善，漩涡大大减弱，只在主路和支路分开的地方存在一个小的漩涡，所以由漩涡产生的涡流噪声 2将减小。由于没有了气流直接冲击管壁和大的漩涡，管道的振动图 7 改进方案管道的三维几何模型图 3 原管道中的速度分布 图 4 原管道中的马赫数分布图 5 原管道的速度分布放大图（中剖面）图 6 原管道的马赫数分布放大图（中剖面）4将大为缓解;（2）流动从超音速变为亚音速（最大马赫数降为 0.6 左右） 。没有了激波的存在，将使气动噪声显著降低;图 8 改进方案管道的三维速度
11、分布 图 9 改进方案管道的马赫数分布图 10 改进方案管道速度分布放大图 A（中剖面） 图 11 改进方案管道马赫数分布放大图（中剖面）5图 12 改进方案管道速度分布放大图B（中剖面）（3）主路的阀门处仍旧是速度最大处。如果可能的话，建议厂方更换大的阀门，这样将使流动情况进一步改进。将主路和支路交汇后的竖直段加粗，也可使流动进一步改善。3 结论（1）根据数值模拟结果分析可知，新方案管道中气体流动比原有管道中气体流动情况好得多。漩涡明显减弱可使振动明显减轻，最大马赫数由超音速降至 0.6 左右，将大大减轻气动噪声和管路振动。（2）根据厂方提供的反馈意见，自从管道改进设计以后其振动和噪声大大降低。实际运行情况再次表明这是一次成功的改进设计。参 考 文 献1 John D. Anderson, Jr. Computational Fluid Dynamics The Basics with ApplicationsM. McGraw-Hill ，2002.2 方丹群，王文奇，孙家麒. 噪声控制M. 北京：北京出版社，1986. 3 Computational Fluid Dynamics Software Star-CD Version 3.10 Methodology Z.Computational Dynamics Limited,1999.
