采用數(shù)值模擬方法研究了真空背壓下多截面細(xì)徑管的氣體流動問題，并結(jié)合理論和實驗結(jié)果對管內(nèi)氣體流動特性進行了分析。研究結(jié)果表明：在初始時間段，容器壓力下降較快，細(xì)徑管內(nèi)氣體處于流動壅塞狀態(tài)，壅塞狀態(tài)穩(wěn)定后，流速下降緩慢，使得壅塞流動狀態(tài)可以持續(xù)很長時間;壅塞狀態(tài)下，容器壓力隨時間呈對數(shù)衰減關(guān)系，容器壓力越小，壅塞狀態(tài)持續(xù)時間越短。同時，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)。隨著容器壓力的進一步下降，導(dǎo)管入口的流速降低以及導(dǎo)管長度小于臨界管長，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.mp99x.cn/)認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，為多截面細(xì)徑管內(nèi)氣體流動特性分析提供依據(jù)。

　　在航空航天、國防軍事以及工業(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)中存在多處截面過渡區(qū)域，管徑變化多，形狀復(fù)雜，流場速度梯度較大，粘性耗散作用明顯。因此，如何提高細(xì)徑管路的流動效率是一個難點。氣體通過管道已經(jīng)被廣泛研究，高壓或大氣環(huán)境下，李軍結(jié)合氣動充放氣系統(tǒng)的實際情況，提出一種考慮摩擦和傳熱的一維非定常流場方法。Jason通過對絕熱氣體流動和等溫氣體流動分析，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流動下最大流量的估算方法。劉慶堂研究了天然氣流動時變徑管道壅塞流動特性分析，引入臨界壓強比，建立了臨界壅塞的判定條件，建立了壅塞流動狀態(tài)下的流量計算公式。丁英濤采用實驗研究和數(shù)值計算相結(jié)合的手段研究了微型噴管內(nèi)氣體的流動特性。低壓環(huán)境下，周曉對不同真空管道阻塞比條件下高速列車車體的空氣阻力進行了數(shù)值模擬，得出真空管道內(nèi)阻塞比對列車空氣阻力的影響規(guī)律。劉加利深入系統(tǒng)地研究了真空管道高速列車氣動阻力特性和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法，研究了管道壓力、阻塞比和列車速度對列車氣動阻力的影響。然而通過細(xì)徑管從中低壓到真空環(huán)境中的流動研究甚少，目前已知僅有廖彬通過試驗的手段對帶細(xì)徑導(dǎo)管的容器放氣性能影響因素進行了研究，指出了容器的放氣速率與氣體種類、管道長度和截面尺寸、背壓等因素的關(guān)系。

　　本文對真空背壓下多截面細(xì)徑管的氣體流動問題進行了數(shù)值模擬，并結(jié)合理論方法和實驗結(jié)果對多截面細(xì)徑管的氣體流動特性進行了分析。

1、數(shù)值模型與計算方法

　　放氣過程中，放氣容器內(nèi)充入0.6MPa氣體，通過不同幾何尺寸的細(xì)徑管排氣到真空室里。實際應(yīng)用中，不同尺寸的細(xì)徑管通過閥門連接，使得流動情況比較復(fù)雜，進行完全數(shù)值模擬比較困難，因此對流動模型進行了簡化，模型中包括容器、三段不同內(nèi)徑不同長度的細(xì)徑管、3m×3m 的模擬真空區(qū)域，如圖1所示。由于簡化后的模型結(jié)構(gòu)以及氣體流動是軸對稱的，所以將數(shù)值模擬簡化為二維計算。

　　數(shù)值模擬采用商業(yè)軟件FLUENT，基于有限體積法對圖1的模型進行數(shù)值模擬。計算域與網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。計算初始條件為：容器內(nèi)初始壓力為0.6MPa，細(xì)徑管與模擬真空區(qū)域的初始壓力為300Pa。計算湍流模型采用標(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)流場速度梯度較大，溫度和動量方程強烈耦合，對溫度和密度所用的亞松弛因子進行了亞松弛，壁面邊界均采用絕熱條件和無滑移邊界條件。

圖1　數(shù)值模型示意圖

圖2　網(wǎng)格劃分示意圖

3、結(jié)論

　　本文對真空背壓下多截面細(xì)徑管的氣體流動問題進行了數(shù)值模擬，并結(jié)合理論方法和實驗結(jié)果對多截面細(xì)徑管的氣體流動特性進行了分析。主要有以下結(jié)論：

　　(1)在初始時間段，容器壓力下降較快，細(xì)徑管內(nèi)氣體處于流動壅塞狀態(tài)，壅塞穩(wěn)定后，細(xì)徑管內(nèi)的流速下降緩慢，使得壅塞流動狀態(tài)可以持續(xù)很長時間;壅塞狀態(tài)下，容器壓力隨時間呈對數(shù)衰減關(guān)系，容器壓力越小，壅塞狀態(tài)持續(xù)時間越短，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)管長度小于臨界管長，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，主要是因為氣流的流速受導(dǎo)管截面積和長度的限制而顯著降低。

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