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
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