基于壅塞理论的CNG加气管流量计算分析.pdf

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1、2 0 1 1 年管适技术-5设各2 0 1 1箜!塑堕P!些：!堑!翌!鱼竖竺璺垦旦!旦竺!苎型!：!基于壅塞理论的C N G 加气管流量计算分析王磊1，田贯三1，丁国玉2，张明光(1 山东建筑大学热能工程学院，山东济南2 5 0 1 0 1；2 北京市城市规划设计研究院，北京1 0 0 0 4 5)摘要：为了计算C N G 加气系统的高压胶管的流量，以气体动力学为基础，建立等截面一维定常绝热摩擦流动的数学模型。利用V C+语言编制界面计算程序对模型进行编程求解，对壅塞状态和非壅塞状态下流量以及出口压力进行计算和拟合。当天然气汽车储瓶内的压力小于临界压力时，加气流量最大，且与胶管两端的压差无

2、关，并计算出最大流量与胶管管长的关系；-3 车内压力大于等于临界压力时，出口燃气处于非壅塞区，加气流量将减小。通过对6 0m 处加气管燃气参数的计算分析，拟合出了在非壅塞状态下胶管出1 3,压力与胶管流量的关系式，区别于由两端压差决定的流量计算公式。关键词：壅塞；C N G 加气站；高压胶管；马赫数中图分类号：T E 8 3 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 4 9 6 1 4(2 0 1 1)0 1 0 0 0 9 0 3T h eC a l c u l a t i o n&A n a l y s i so fM a s sF l o wo ft h eH o s ei nC N GR

3、e f u e l i n gS y s t e mB a s e do nt h eC h o c k e dF l o wW A N GL e i，T I A NG u a n s a n，D I N GG u o y u 2，Z H A N GM i n g g u a n 9 1(1 S c h o o lo f T h e r m a lE n e r g yE n g l n e e r i n g S h a n d o n gJ i a n z h uU n i v e r s i t y，J i n a n 2 5 0 1 0 1，C h i n a；2 B e i j i

4、n gM u n i c i p a lI n s t i t u t eo fC i t yp l a n n j n g&D e s i g n。B e i j i n g1 0 0 0 4 5。C h i n a)A b s t r a c t：I no r d e rt oc a l c u l a t et h en l a$Sf l o wo fC N Gr e f u e l i n gs y s t e m。am a t h e m a t i c a lm o d e lo fo n e-d i m e n s i o n a lu n s t e j a d ya d i

5、a b a t i cf r i c t i o nf l o wh a sb e e ne s t a b l i s h e da n db a s e dO ng a sd y n a m i c s V i s u a lC+p r o g r a m m i n gl a n g u a g ei su s e dt os o l v et h em o d e l。a sar e s u l t，t h er e g i o no fc h o k e df l o wa n du n e h o k e df l o wi se s t a b l i s h e d W h e

6、 nt h ep a c k e tp r e s s u r ei sl e s st h a nt h ec r i t i c a lp r e s s u r e，t h ec h o c k e dm 8$8f l o wi so b t a i n e d A na n a l y s i sf o r t h eg a si nt h e6 0 一m e t e r-l o n gc r o s ss e c t i o ni st a k e nt Of i tt h er e l m i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t l e tp r

7、e s s u r ea n dt h em a s sf l o wf o rh o s e w h i c hc a ng u i d et h eg a sf l o wm e a s u r e m e n ta n dt h ed e s i g n&o p e r a t i n go ft h eg a s-f i l l i n gs y s t e m K e yw o r d s：c h o c k e df l o w；C N Gs t a t i o n；h i g h p r e s s u r eh o s e；m a t hn u m b e r0 引言随着石油资

8、源的日趋紧张和人们环保意识的增强，天然气在人们日常生产生活中起着重要的作用。同时，随着天然气储运技术的发展，C N G 加气站在各大城市也逐步普及-2 。C N G 加气站计量系统 3-,q的建设越来越完善和先进，而精确的加气流量计算为计量系统的设计和运行提供了理论指导。文献 5 中针对变径加气管进行建模计算，其临界压力比公式与文献 6 中不一致。文中从等截面绝热壅塞理论旧1 出发，推导等截面胶管的流量计算公式，并借助V C+语言对建立的模型进行编程计算，得出加气流量随天然气汽车压力的变化规律。基金项目：国家科技支撑计划项目(2 0 0 6 B A J 0 3 8 0 2)收稿日期：2 0 0

9、 9 1 2 2 5收修改稿日期：2 0 1 0 0 8 0 31 数学模型1 1 模型的建立对于C N G 加气站高压胶管而言，由于管径比较小而且长度较短，两端压差较大，燃气流速比较大。忽略与环境的热交换，将其看作绝热流动来处理，区别于实际气体的流动o，由连续性方程、运动方程、能量方程以及状态方程的微分形式，可以建立数学模型如下6 1：生+d v：o警+撇2(警+可尝z p 1 1=o每m o 堂：。q 韭一生一d r，：0万方数据1 0P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n tJ a n 2 0 1 1式中：p 为管道某截面

10、燃气压力，P a；T 为管道某截面的温度，K；v 为管道某截面燃气流速，m s；p 为管道某截面燃气密度，k s m 3；R 为气体常数，J(k g K)为范宁(F a n n i n g)摩擦系数哺1；D 为管道水力学直径，m；|为燃气的比热比；M a 为燃气流动的马赫数；Z 为管长。1 2 模型的求解解方程组(1)可得到以下关系式【6J：由马赫数的定义得：M a=v i a=v 孤丽(2)由式(2)得到：丝=了du1一dTMa2T(3)移、。7结合式(1)得到：些：尝(4Ma21M a坐d)(一2)、。式中d 为管径。对式(4)两端进行积分，左端从0 积到最大值L，右端从M a。到1，即管

11、段入口的马赫数为M a。，出口的马赫数为l，得到如下关系式：可叫酱+等I n 碍(k+1 两)M a 2 0 (5)式中为加气管实际长度，m 根据文献 6 可以通过试算法求得任意截面上的马赫数。2 流量计算根据连续性方程，管道各个截面上的流量是相同的，可由式(6)表示：G=订郎以(6)式中：G 为加气管的流量，k g s；p。为各个截面上燃气密度，k g m 3；为各个截面上燃气速度，m s 3 实例计算以常规站中的定时加气系统瞪1 为例，对加气流量计算分析，图l 为加气系统示意图。图1C N G 加气站定时加气系统示意图压缩机向C N G 汽车直接加气，加气管管径为2 5n n n，且为等截

12、面直管段，加气前天然气汽车储瓶压力在O 5 2M P a 之间。3 1 流量计算3 1 1壅塞区流量计算由式(5)可知，在管径和摩擦系数保持不变的情况下，改变加气管的管长，人口的马赫数必然发生变化，入口的速度也相应发生变化，所以不同的管长对应的流量是不同的。编制计算程序求起点马赫数M a。，再由马赫数的定义和流量公式(6)，计算出壅塞状态下最大流量的值。表1 给出了在不同管长下，加气管的最大流量。表1 加气管不同管长下的最大流量加臀长龋M P a。箨m 3，警M a 僦曩黼7“(8。1)o恩1 朋、“硼“7。“2 02 8 84 4 73 02 3 93 4 02 0 93 2 35 01 8

13、 72 9 l6 01 7 22 6 57 01 6 02 4 8O 1 2 4O 1 0 3O 0 90 0 8 l0 0 4O 0 6 91 O0 1 21 OO 11 0O 0 81 00 0 71 O0 0 1 0O 0 63 1 2 非壅塞区流量计算如果充气前，汽车内储瓶内的压力高于临界压力，则胶管入口的马赫数将减小，也就是说燃气的流速将减小，而开始的密度保持不变。由流量计算公式(6)可知，充气流量将减小，小于最大的流量。在充气过程中，汽车内的压力不断增大的，也使得胶管背压高于临界压力，胶管流量随着出口压力的增加而不断减小。以不同长度胶管为例，拟合6 0m 处截面压力、起点及6 0m

14、 处截面马赫数随管长的变化关系式，进而得出了胶管的流量随6 0m 处截面压力的变化关系。计算结果见表2。表26 0m 处截面压力、起点及6 0n l 处截面马赫数随管长的变化关系万方数据第1 期王磊等：基于壅塞理论的C N G 加气管流量计算分析1 1根据表2 的数据，绘制胶管6 0m 处截面压力、起点及6 0m 处截面马赫数随管长的变化曲线，见图2、图3。图2 胶管6 0m 处截面压力随着管长变化曲线掇糠市臂长I n图3 胶管起点及6 0m 处截面马赫数随管长的变化曲线由曲线形状来看，6 0m 处截面压力与管长呈对数关系，起点马赫数与管长呈直线关系，而6 0I l l 处截面马赫数与管长呈指

15、数关系。由文献 9 提供的方法，可以假定6 0m 处截面压力P。，起点马赫数M a o 和6 0m 处截面马赫数M a。与管长的关系式分别为P=A l+B l l n x；M a o=A 2+B 2 x；M a L=A 3 e 5 梦(7)对式(7)进行线性化，对表2 中的数据进行处理如下：6 86 88 08 0j 毛K=5 A+曰i 孙，i 巍E=5 A+哆邑置(8)式中：K 分别取P L、M a o、l n M a L；X i 分别取l n x I、气、聋f；A分别取A l、A 2、l n A 3；B 分别取召l、B 2、曰3 由表2 和式(7)、式(8)可计算出3 个方程中的系数，见表

16、3。表3 拟合函数系数由以上公式可以得到起点马赫数与6 0m 处截面压力的变化关系式：Pr。h iP，+5 j 州oM a o=A 2+B 2 e 百一=0 0 9 85-0 0 0 04 e 1 丽r(9)所以根据式(9)，得到加气管不同的6 0m 处截面压力对应的起点马赫数。由流量公式(6)得到6 0m处截面的流量计算公式：1一P，+8 3 9 4 96 G=1 T 扩(0 0 9 85-0 0 0 04 e 而)P。勰r(1 0)式中P，为6 0m 处截面燃气密度。3 2 计算结果分析根据前面的已知条件，当管长为6 0m，管径为2 5m l n，入口压力为2 5M P a，在壅塞状态下，

17、出口压力为1 7 2M P a，也就是说当汽车储气瓶内的压力小于1 7 2M P a 时候，出口燃气处于壅塞区(见图4)，出口流速达到最大值(当地声速)，流量达到最大值(2 6 5m 3 s)，出口压力保持不变，直到汽车内的压力大于等于1 7 2M P a 当充气前，汽车内储瓶内的压力大于等于1 7 2M P a 时候，出口燃气处于非壅塞区(见图4)，出口压力与汽车储瓶内的压力相等，燃气流量小于2 6 5m 3 s，并且充气过程中，随着汽车内的压力不断增大，流量逐渐减小，此时可根据式(1 0)计算出在某个压力下对应的流量。在壅塞区，胶管的流量和出口的压力保持不变；在非壅塞区，流量随着胶管出口压

18、力的升高而降低，出口压力与汽车内储瓶的压力相等。汽车余压(背压)P b M P a图4 加气流量、出口压力与汽车余压的关系4 结束语给汽车充气时，由于胶管管径较小且两端的压差比较大，容易发生壅塞现象。发生壅塞时胶管通过的流量最大，随着汽车储瓶内的压力升高，当压力大于等于临界压力时，不再发生壅塞，此时流量随着储瓶内的压力升高而降低。对处在壅塞区的燃气，通过绝热(下转第3 4 页)万方数据P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n tJ a n 2 0 1 1是所谓的偏析，它是铝合金在凝固过程中，由于某些因素的影响，造成铸件各部分化学成

19、分和组织的不均匀现象。此种偏析为缩孑L 型的共晶偏析，对合金十分有害，一方面使共晶偏析组织粗大，另一方面使共晶偏析和缩孔经常同时存在，严重影响了机械性能。圈6 鱼臂状【a+S i)曲相共晶组织图图7块状夹杂物通过E D S 分析发现，夹杂物主要为氧化铝夹杂，因氧化铝本质较硬，而与脆性较大的针状硅结合时，若受外力撞击，容易使材质中的脆性针状硅断裂，形成微裂纹，裂纹扩展造成该活塞断裂。鱼骨状共晶组织、夹杂物对裂纹形成与扩展过程有重要作用，它们在两相界面处有利于裂纹形成，裂纹扩展遇到夹杂图8 组织不均匀物，这种夹杂物与基体界面可以作为裂纹通道，加速4 结束语裂纹扩展。尤其是大面积的夹杂会大幅度降低材

20、料活塞在工作过程中承受交变载荷，加上活塞材料的综合力学性能，加速裂纹的扩展，更易发生脆性断存在加工铸造缺陷等，造成活塞在应力作用下，材料裂。因为脆性断裂裂纹扩展的速度非常快，当材料内缺陷处发生裂纹并扩展导致断裂。另外，在工作中活部出现裂纹时，在应力作用下，裂纹会在很短的时间塞与活塞杆连接的螺栓有可能发生松动，使活塞顶部内扩展，导致活塞断裂。受到冲击，加速了活塞的裂纹扩展速度。断口组织能谱分析证明，针状组织中硅含量高，参考文献：室温下多余的硅容易与基体形成粗针状的共晶体组 1 1 篓群竺，田永江失效分析基础知识北京：机械工业出版织，该组墨_ 导髯成很难消除，大大降低材掣的力学 2 芏蔫市金属学会

21、金属材料缺陷金相图谱上海：上海科性能。另外，能谱分析表明，断口铁含量较高，F e 与学技术出版社1 9 6 6 刖、S i 形成的A 1 9 F e 2 S i：鱼骨状共晶组织，极大地降低 3 程远明铝加工缺陷哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，了合金的伸长率和强度。由于鱼骨状共晶组织与针1 9 8 6 状硅脆性大，这种组织的存在能显著降低铝硅合金的 4 大型铸锻件行业协会大型铸锻件缺陷分析图谱北京：力学性能3。4 j。机械工业出版社，1 9 9 0 另外，此活塞铝合金还存在着组织不均匀、部分组作者简介：马欣(1 9 r 7 l 一)，副教授，从事石油石化装备的设计与织粗大的缺点，如图8 所示。组织

22、的这种不均匀现象就安全方面的教学和科研工作。(上接第1 I 页)模型和流量公式可直接计算出流量；对非壅塞区的燃气，不能通过模型直接求解，需要根据出口压力和人口马赫数以及对应的管长，进行函数的拟合，得到出口压力和人口马赫数以管长为自变量的拟合函数，推导出了一定管长下流量与出口压力的关系式。在壅塞区，胶管出口压力大于汽车储瓶内的压力且保持不变，胶管通过的流量最大；在非壅塞区，胶管出口压力等于汽车储瓶内的压力，胶管的流量随出口压力(即汽车储瓶内压力)的升高而减小。参考文献：1 宋晓琴国内外C N G 加气站的发展趋势油气储运，2 0 0 3，2 2(8)：1 3 2 李丹，敬加强天然气储运技术研究管

23、道技术与设备，2 0 0 9(1)：4 5 3 刘锡麟C N G 加气站压缩天然气的计量计量技术，2 0 0 1(7)：2 7 2 9 4 蔡武昌压缩天然气汽车加气站流量计量系统上海计量测试，2 0 0 3，3 0(5)：2 6 2 7 5 郁永章，高其烈，冯兴全，等天然气汽车加气站设备与运行北京：中国石化出版社，2 0 0 6 6 王保国，刘淑艳，黄伟光，等气体动力学北京：北京理工大学出版社，2 0 0 5 7 B A N S A LPK，W A N GG R e a lg a sc h o k e df l o wc o n d i t i o n sa tl o wr e d u c e

24、 d-t e m p e r a t u r e s A p p l i e dT h e r m a lE n g i n e e r i n g，2 0 0 4，2 4：8 5 1 8 6 3 8 克罗柯L 定常气体动力学的一维处理方法北京：科学出版社，1 9 8 5 9 田胜元，萧日嵘试验设计与数据处理北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 0 作者简介：王磊(1 9 8 3 一)，在读硕士研究生，研究方向为燃气输配与应用。万方数据基于壅塞理论的CNG加气管流量计算分析基于壅塞理论的CNG加气管流量计算分析作者：王磊，田贯三，丁国玉，张明光，WANG Lei，TIAN Guan-san，D

25、ING Guo-yu，ZHANG Ming-guang作者单位：王磊,田贯三,张明光,WANG Lei,TIAN Guan-san,ZHANG Ming-guang(山东建筑大学热能工程学院,山东济南,250101)，丁国玉,DING Guo-yu(北京市城市规划设计研究院,北京,100045)刊名：管道技术与设备英文刊名：PIPELINE TECHNOLOGY AND EQUIPMENT年，卷(期)：2011(1)参考文献(9条)参考文献(9条)1.田胜元;萧曰嵘 试验设计与数据处理 20002.克罗柯 L 定常气体动力学的一维处理方法 19853.BANSAL P K;WANG G Rea

26、l gas choked flow conditions at low reduced-temperatures外文期刊 2004(5-6)4.王保国;刘淑艳;黄伟光 气体动力学 20055.郁永章;高其烈;冯兴全 天然气汽车加气站设备与运行 20066.蔡武昌 压缩天然气汽车加气站流量计量系统期刊论文-上海计量测试 2003(05)7.刘锡麟 CNG加气站压缩天然气的计量期刊论文-计量技术 2001(07)8.李丹;敬加强 天然气储运技术研究期刊论文-管道技术与设备 2009(01)9.宋晓琴 国内外CNG加气站的发展趋势期刊论文-油气储运 2003(08)本文读者也读过(10条)本文读者也

27、读过(10条)1.邓立三.胡绪美.肖兴达.Deng Lisan.Hu Xumei.Xiao Xingda CNG加气机计量检定方法探讨期刊论文-城市燃气2005(1)2.石尔.衣晓青.陈进鸿.SHI Er.YI Xiao-qing.CHEN Jin-hong 科里奥利质量流量计在CNG加气机计量中的应用期刊论文-广州化工2009,37(2)3.王磊.田贯三.丁国玉.Wang Lei.Tian Guansan.Ding Guoyu 燃气管道壅塞流动计算期刊论文-油气储运2010,29(3)4.吴虎.阮建刚 壅塞可调固体火箭冲压发动机性能计算会议论文-20075.华陈权.王昌明.耿艳峰.HUA C

28、henquan.WANG Changming.GENG Yanfeng 高准科里奥利质量流量计通信接口软硬件的开发期刊论文-工业仪表与自动化装置2009(5)6.苏昌林.刘缙林.邱东利.蔡竞宜.李珊珊.SU Chang-lin.LIU Jin-lin.QIU Dong-li.CAI Jing-yi.LI Shan-shan 智能型压缩天然气加气机期刊论文-中国测试技术2008,34(6)7.罗凡.孙玉声.LUO Fan.SUN Yu-sheng 不同介质对质量流量计的校准误差影响期刊论文-中国测试技术2007,33(6)8.刘伟.傅斌 压缩天然气(CNG)加气机的新思路及发展方向会议论文-20029.孙英英.司徒明.王春.韩肇元.SUN Ying-ying.SITU Ming.WANG Chun.HAN Zhao-yuan 双燃烧室中煤油超燃试验研究期刊论文-流体力学实验与测量2000,14(1)10.潘余.李大鹏.刘卫东.王振国.PAN Yu.LI Da-peng.LIU Wei-dong.WANG Zhen-guo 超燃冲压发动机燃烧模态转换试验研究期刊论文-爆炸与冲击2008,28(4)本文链接：http:/