[摘 要]：往复压缩机由于压缩过程的不连续，致使设备中的工艺气产生脉动，通常会在压缩机气缸的进出口位置设置脉动抑制装置，也称缓冲器。借鉴湍流流动的消减理论，对于脉动气流的流场进行模拟分析，将常规缓冲器的结构进行一定的优化，增设部分内件，以增强缓冲器气流脉动消减作用，进而增强减振效果。
[关键词]：湍流；气流脉动消减；流场分析
1 引言
往复压缩机作为在石油化工行业广泛应用的流体机械设备，具有适用性强，压缩效率高，节能降耗，制造技术成熟等特点，同时也存在另外一个鲜明的特点——气流脉动与振动。由于压缩过程的不连续，会产生气流脉动，这种气流脉动能够直接引起设备（包括压缩机本体，压力容器，压力管道及其附属部件等）的振动，对于设备本身以及整个压缩机机组的正常运转都有很大的危害性，因此需要采取必要的措施抑制气流脉动引起的危害，缓解振动效果，以符合相关标准和行业规范的要求。普遍采用的措施，是在压缩机气缸的进出口位置设置气流脉动抑制设备，也称缓冲器。缓冲器的结构形式多种多样，其中包括带有圆锥形管嘴的缓冲器、虚拟孔结构、紧凑型管嘴脉动缓冲器、单瓶多腔滤波器和可调式侧支消减器等，较为普遍采用的是中空的筒形或者球形结构。
往复压缩机在压缩过程中所形成的气流脉动与声波十分相似，存在很多共同的特性，因此，目前往复压缩机在振动方面的计算主要由两大部分内容组成：声学模拟和机械响应。声学模拟分析法是以平面波理论为基本理论对往复压缩机所产生的压力脉动进行分析计算；机械响应则是计算设备在气流脉动激振力的作用下产生的共振、振幅以及疲劳分析。通过声学模拟和机械响应的计算，来确定缓冲器的缓冲容积，提供一个较大范围的空间，使得气流脉动在这一较大空间中可以自由有效地扩散，同时逐步衰减，耗散，进而得到较为理想的缓冲效果，达到抑制气流脉动，消减机组振动的目的，确保机组安全、平稳、高效的运转。
本文在上述理论的基础上，从流体湍流状态的角度出发，以气体流动状态和能量转换为具体着手点，将气流脉动视作一种湍流状态，着重分析湍流与气流脉动的关联与影响，通过Ansys Fluent软件对于缓冲器内部进行流场的湍流分析，以期望对于常规缓冲器的结构进行一定的优化改进。
2 理论基础
流体流动过程中，通常在管道内速度呈现剖面线曲线的形式分布，在雷诺数Re＞2200时产生局部间歇层的斑块形式的湍流，而在R＞4500时，会形成完全的湍流。湍流在行进过程中呈现不规则的流动，这种不规则的流动和往复机压缩过程中所产生的气流脉动十分相似，如图1所示，q为湍流强度，u代表轴向（流向）速度。本文认为在一定程度上可以借鉴这一点，进而消减往复压缩机在压缩过程中所产生的脉动。国内外大量的研究成果表明，湍流在形成过程中，将能量从平均剪切流动转化为湍流涡旋，利用这一能量转移的原理，在湍流形成之后，对其施加额外的体积力（类似惯性力，重力，电磁力等），也就是在湍流区域施加足够强的扰动，对于湍流的速度分布进行强制的改变，使得湍流不能形成流动分布的必要变形，进而消除间歇性剪切流动中的湍流，如图2所示。本文同样利用这一原理，在缓冲器内部设置内件，改变脉动气体流动过程中的速度分布，进而消减气流脉动。
图1
图2
3 控制方程
将缓冲器内部作为一个系统，流体在系统内流动的过程中遵守基本的质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，处于湍流状态的流体，还须遵守湍流输运方程。前三者基本的守恒定律，可以用通用的方程表达式来描述
其中φ——通用变量，可以替换为速度矢量的分量u，v，w和温度T进行求解
Γ——广义扩散系数
S——广义源项
给定Γ和S的适当表达式以及初始条件和边界条件，即可获取流场解。
对于随时间变化的瞬态流场，可以拆分为平均量和脉动量之和，充分的表征出脉动量随时间的变化情况，即
引入湍流的控制方程Navier-Stokes方程，并对其进行平均处理，得到雷诺平均的N-S（RANS）方程
式中 
——雷诺应力项
将速度脉动的二阶关联量表示成平均速度梯度与湍流粘性系数的乘机。此项提供了湍流（随机脉动）输运的平均效应，是高度扩散项，代表湍流脉动的混合和平均带来的光顺。为求解N-S方程，使其封闭，通常采用Boussinesq假设，认为雷诺应力正比于时均速度的应变，比例常数为涡粘系数（湍流粘性系数），具体表达式如下
再次引入双分量的对流扩散方程，k-ε方程，用湍动能k和耗散率ε的函数来描述涡粘系数
上述方程中
分别表示由于平均速度梯度和浮力影响的湍动能产生，YM表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。
涡粘系数μt是空间坐标的函数，取决于流动状态，其表达式为
联合上述控制方程，对缓冲器内部流场进行数值计算，求解流场，得到缓冲器内部湍流各项参数随时间的变化情况，进而确定缓冲器对气流脉动的抑制效果。
图3 结构图
图4 网格划分
图5 入口速度曲线
图6
图7
4 模拟分析
建立缓冲器模型，在常规缓冲器内部添加内件，用以改变原有的气体流动方向和速度分布，扰乱工艺气体原有的脉动流动，以达到消减气体脉动的目的：
（1） 缓冲器壳体附近设置螺旋板，利用螺旋板改变改变气体速度分布和方向，同时增加近壁区域的流速，充分利用湍流比层流具有更高表面摩擦的特点，增加湍流耗散率，达到消减的目的；
（2） 在缓冲器中间位置设置波纹板，用于更充分的改变气体速度的方向；
（3）在螺旋板和波纹板上开设小孔，同样的利用小开孔的扩散作用，进一步的干扰气体速度的方向及分布情况。
具体模型和网格划分见图3、4。
通过FLUENT对缓冲器内部流场进行模拟分析，介质组分选择空气，边界条件采用速度入口，用正弦曲线代替脉动曲线，如图5所示，出口条件设置为outflow。
湍流模型采用Realizable k-ε模型，对于缓冲器内部流场进行模拟分析，结果见图6～9。
图8
图9
图10 缓冲器入口湍动能曲线
5 结果分析
图6、7分别为不同时间点湍动能的状态，可以看出缓冲器设置的内件对于流动状态有很大的影响；图8为经过后处理的速度轨迹变化曲线，表明气体在缓冲器内部按照预期的流动方向进行运动；图9为缓冲器进出口位置选取的中心点，以形成图10和图11所示的湍动能随时间变化的曲线。
通过比较进出口的湍流动能随时间变化的曲线可以看出，在进口处，湍动能呈现同速度大致相同的正弦变化，通过结构优化的缓冲器的消减作用，在缓冲器的出口处，湍动能随时间变化的曲线有明显的消减变化，也就是达到了预期脉动抑制效果，将有效的消减设备振动。
6 结论
图11 缓冲器出口湍动能曲线
本文在以往声学模拟的基础上，提出以湍流特点为出发点，针对气流脉动进行数值分析与模拟计算。参照管道中间歇性湍流在外力强制干扰的作用下消减的原理，对于常规缓冲器进行了部分的结构优化处理，在缓冲器内部添加了一定的内件，利用内件改变气流原有的惯性力以及速度方向，达到更好的气体脉动抑制效果。
本文对于缓冲器的结构优化，属于理论性模拟分析，与实际应用可能存在一定的差距，有待进一步检验与修正。
