基于CFX的气路通道对气体扩散混合效果的影响研究.pdf

自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications基于CFX的气路通道对气体扩散混合效果的影响研究李 勇,梁钊铭(江苏自动化研究所，江苏 连云港 222061)摘要:以标准k-湍流流动模型和理论计算为基础，利用CFX软件模拟两个容器间气路通道在设计工况下的内部流场分布以及流量特性参数，并通过分析气流流场和流速状况来研究不同气路通道对容器间气体扩散混合效果的影响，最后通过实验验证数值模拟分析的结果。结果表明通道内密封分岔通道和直角弯内侧位置会形成紊流，影响整个通道内流体流速；通道截面积相同时，流速越快，混合均匀时间越短。关键词:气路通道；理想气体状态方程；ANSYS CFX；容器体积测量中图分类号：TP15文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)08-0017-04The Design and Research of Effect of Gas Pathto Gas Diffusion Mixing Based on CFXLI Yong,LIANG Zhao-ming(JiangsuAutomation Research Institute,Lianyungang 222061 China)Abstract:Based on the standard k-turbulent flow model and theoretical calculations,the CFX software is used to simulate the internalflow field distribution and flow characteristic parameters of the gas path between the two vessels under the design conditions,andanalyze the air flow field and velocity conditions.The effects of different gas paths on the gas diffusion and mixing effects be-tween containers are studied,and the results of numerical simulation analysis are finally verified through experiments.The resultsshow that:turbulent flow will be formed in the inner part of the sealed bifurcation channel and right-angle bend in the channel,which affects the fluid flow rate in the entire channel;when the channel area is the same,the faster the flow rate,the shorter theuniform mixing time.Keywords:gas path;ideal gas state equation;ANSYS CFX;vessel volume measurement收稿日期:2021-09-16DOI:10.20033/j.1003-7241.（2023）08-0017-04.1引言在医疗输液领域，常利用理想气体状态方程来获取药液注入剂量避免直接和药液接触造成污染。文献1论述理想气体状态方程在工业测量中的应用，通过引入一个已知体积的标准容器与待测容器进行串联，让不同压强的气体通过气体通道混合均匀，根据理想气体状态方程间接测量出异形容器容积。气体在混合过程中，采用不同气路通道进行均匀混合所需的时间并不相同。对于气路原理复杂的产品，流体通道常常相互交错，无法直接用一个简单通道将两个容器连接。如何提高气体混合速度，降低产品数据获取所需时间成为设计者必须要考虑的问题。本文以流体力学标准k-湍流模型理论为基础，采用CFX数值模拟和实验测试相结合的手段，研究不同气路通道结构对两个容器之间气体扩散混合的影响，并将测试结果作为气路系统设计的重要参考。2气路系统模型和容器体积测量技术2.1气路系统模型气路分配模块为气路控制系统的核心部件，通过控制阀门来调整模块内气压大小和气体流向，实现药液注入和引流，并通过传感器反馈的压力数据计算药液剂量。现有两种不同的气路分配模块设计加工方式。(1)如图1，在金属底板平面上加工整个纵横交错的气路通路，并用密封垫密封。图1平面气路通道模块(2)如图2，在长方体六个面进行交错打孔建立内部复杂三维立体的气路通道。气路分配模块内部通道布局依据设备气路原理图，从结构上，它由纵横交错的细长气体通道组构成，设计过17控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期Techniques ofAutomation&Applications程既要考虑实现压力分流功能，还要考虑气路结构和阀门孔径的影响2-3。图2立体气路通道模块2.2容器体积测量技术根据PV=nRT，气体的质量、性质及绝对温度不变的情况下，气体的压强与体积成反比。利用该结论可以精确地测量某个异形容器容积。测量方法如下:测试流程如图3所示，关闭阀门1、阀门2，将阀门3接通大气，压力传感器2数值稳定为P0时关闭阀门3。打开阀门1向体积为V1的待测容器内注入气体，关闭阀门1后待测容器内压力值P1。打开阀门2让空气相互混合直至两个压力传感器数值稳定为P2。关闭阀门2，打开阀门3，压力传感器2数值稳定为P0时进行下一次测量3。图3容器体积测试流程测试过程气体的质量、性质及绝对温度不变。容器与阀门之间连接通道的容积暂忽略为0，根据PV=nRT可以得出：(1)(2)求解式（1）、（2）可得：(3)3数学模型和理论计算本文在计算过程中采用标准k-湍流模型，气体在扩散过程中应当遵循动量守恒、质量守恒和能量守恒定律4-5。3.1标准k-湍流流动模型湍流动能方程k：(4)扩散方程：(5)式中，k为湍流动能，为湍流动能耗散率，是指在分子粘性作用下由湍流动能转化为分子热运动动能的速率。Gk为由于平均速度梯度引起的湍流动能产生，Gb为由于浮力影响引起的湍流动能产生，YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的湍流耗散率的影响。湍流粘性系数t=C。在数值模拟计算过程中，作为默认值常数，C1s=1.44，C2s=1.92，C3s=0.99，湍流动能k与湍流耗散率的湍流普朗特数k=1.0，=1.3。3.2雷诺数(6)式中、为密度和动力粘性系数，L为特征长度。实验表明流体通过圆形管道时临界雷诺数在2 0002 600。假定气体在通道内已发展为紊流状态，设定Re=2 600。3.3气路通道两端伯努利方程(7)式中，L为管段长度、D为管内直径、沿程阻力系数，表示流动过程的沿程损耗，通道两端压强为p1、p2。v为管道内气流的平均流速。求解可得气流平均流速(8)由公式可知，气流平均流速受沿程阻力系数的影响，而沿程阻力系数与流体流动状态有关，流动状态可用雷诺数量化。3.4管中流动沿程阻力系数与雷诺数的关系层流区：(9)临界区域：(10)根据预设定的雷诺数可计算气路通道内=0.00252600=2.17。3.5湍流强度(11)式中，I为湍流强度，Re为雷诺数。代入Re=2 600，可得I=0.06。4数值模拟分析4.1计算流域建模为研究不同气路通道结构对气体扩散混合的影响，建立两种结构下对应气路通道三维模型，该模型包含气路内部的所有特征，并表征气路与阀门的联通关系。阀门内部空间小且结构复杂，不利于建模和网格划分，为了便于计算，将阀门简化为一段弧形管道，如图4、5所示。阀门当量直径为1 mm，故阀门简化为内径为1 mm的圆18自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications弧管道。通道口1连接体积待测容器，通道口2连接标准容器。图4平面气路内气体扩散混合通道简化模型图5立体气路内气体扩散混合通道简化模型4.2计算流域建模两个容器之间气体扩散混合时，由于内部气路通道的阻流，流体湍流动能耗散，本文选择k-模型作为该流场模型。假定气体从入口1进入内部气路通道后，已发展为紊流状态，流速恒定且为轴向分布，即入口为等速质量流，方向垂直于边界，设定湍流强度为6%。入口1设置为Static Pressure，值为50 kpa，出口2设置average Static Pressure，值为0 kpa。两个腔室压差较低，通道内流速不高，为了提高模型的收敛性和准确性，忽略流体与壁面的摩擦效应，设定壁面函数为scal-able，并设定壁面粗糙度为Smooth Wall。4.3数值模拟结果分析在分析过程中，为了便于描述，本文将气流流动方向的通道称为主通道，与主通道交叉的密封通道称为分叉通道。图6平面气路通道模型在气体扩散过程的内部流线图图6是平面气路通道模型在气体扩散过程的内部流线图。当通道截面尺寸不变时，气流过渡平稳，流速基本不变；当截面尺寸变小时，流速增大，阀门处流速最大，最大值为94.03 m/s；当存在封闭的交叉气路通道时，通道内气流流动紊乱，并进一步降低主通道内气体流速；当气体流经拐角通道时，拐角内侧存在气流扰动。图7是立体气路通道模型在气体扩散过程的内部流线图。由于立体气路通道模型内有较多的分叉通道，通道内部流场存在多处紊乱流场。当通道截面尺寸不变时，流速基本不变；当截面尺寸变小时，流速增大，气体流经阀门时流速最大，最大值为88.5 m/s；当存在封闭的交叉气路通道时，通道内气流流动紊乱；当气体流经拐角通道时，拐角内侧存在气流扰动。图7立体气路通道模型在气体扩散过程的内部流线图如图6、7所示，立体气路通道内部紊乱流场较多，气流流速普遍低于平面气路通道，原因在于立体气路通道内密封分叉通道和直角弯道等结构较多，紊乱的气流在扰动主通道气体流动的同时也造成气体总的能量损失，流动速度减低6。5气路通道结构对气体扩散混合的实验验证为了提升产品性能，选择合适的气路通道缩短混合所需时间十分必要。根据仿真结果，立体气路通道内气流扰动较多，整体流速较慢，根据流量Q=SV，在气路出口面积相同的情况下，相同时间内平面气路通道输出气体量更大，容器内压力增长速度更快。由于气体混合时间为ms级，难以直接测量。本文将调整阀门开闭来间接获取时间参数。测试流程与容器体积测量方法一致，气源为50 kap稳压气源。在程序中设定阀门2开启10 ms后关闭，观测并记录下压力传感器1与压力传感器2的数值。之后每次增加10 ms后进行下一次测试。测试结果见图8。图8待测容器与标准容器压力差值随时间的变化图图8为待测容器与标准容器压力差值随时间的变化图，纵坐标为待测容器与标准容器压力差值，横坐标为时(下转第87页)19自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期计算机与通信技术Computer and Communication TechnologyTechniques ofAutomation&Applications的检测耗时最短的，证明该方法的检测效率更高。4结束语为了提升网络数据流异常检测能力，设计基于深度长短记忆网络的网络数据流异常检测方法。实验结果表明，该方法的异常数据检测灵敏度较高，异常数据检测误差较低，检测结果可信度较高，实际应用效果好。但在研究中发现，当异常数据特征基数过大时，其检测精度会有所下降。为此，可以通过云计算、AI算法等高效算法对深度长短记忆网络进行特征训练，减小不同层级的输出误差，最大程度上提升检测精度。参考文献:1 胡晓红.基于大数据挖掘的网络流量异常检测算法J.现代信息科技,2022,6(24):82-84,89.2 董慧.基于强化学习的网络数据流异常检测数学建模J.电子设计工程,2022,30(4):106-109,114.3 张鸿雁.基于聚类分析的网络数据流异常检测方法J.长江信息通信,2022,35(12):54-56.4 郭森森,王同力,慕德俊.基于生成对抗网络与自编码器的网络流量异常检测模型J.信息网络安全,2022,22(12):7-15.5 戴礼灿,代翔,崔莹,等.基于深度集成学习的社交网络异常数据挖掘算法J.吉林大学学报(工学版),2022,52(11):2712-2717.6 边金良.基于数据挖掘的网络异常流量入侵检测方法J.信息与电脑(理论版),2022,34(21):1-3.7 刘文学.基于数据挖掘的局域网异常流量检测方法J.信息与电脑(理论版),2022,34(21):236-238.8 杨碎明,曹雅蓉.基于集成分类器的网络异常流量特征选择模型J.自动化技术与应用,2022,41(4):34-37.9 魏德宾,魏宁,杨力,等.一种基于mRMR-SVM的空间信息网络数据流检测方法J.计算机应用与软件,2022,39(8):111-118.10 王承涛,付德志,崔书方,陈飞.大数据分析的网络流量建模与自动估计J.自动化技术与应用,2022,41(11):81-83，133.11 路雷,褚建军,唐燕群,等.基于卷积长短时记忆深度神经网络的带内全双工非线性数字自干扰消除J.电子与信息学报,2022,44(11):3874-3881.12 蒋诚智,徐浩,黄传锋,等.基于Merkle哈希树的异构通信网络数据异常值概率识别算法J.兵器装备工程学报,2022,43(6):190-195,231.13 董慧.基于强化学习的网络数据流异常检测数学建模J.电子设计工程,2022,30(4):106-109,114.14 余琼芳,路文浩,杨艺.基于深度长短时记忆网络的多支路串联故障电弧检测方法J.计算机应用,2021,41(S1):321-326.15 付华,刘雨竹,徐楠,等.基于多传感器-深度长短时记忆网络融合的瓦斯浓度预测研究J.传感技术学报,2021,34(6):784-790.作者简介:周永吉（1968-），男，高级工程师，研究方向：气象数据加工处理，气象大数据。通信作者：黄博（1986-），男，高级工程师，研究方向：大数据管理，数据加工，信息化应用。间。测试数据显示，平面气路通道内待测容器与标准容器压力差值在110 ms后低于0.4 kpa，而立体气路通道需要150 ms压力差值才降低至0.4 kpa以下，其气体混合速度要慢于平面气路通道。6结束语通过建立设备内气路分配模块的分析模型，将气路分配模块内部气路通道模型化，在数学计算和仿真的基础上，得出气体在内部气路通道内的流动特性，为气路选型设计提供了重要的设计参考，有效地缩短了气路分配模块等结构件的设计时间以及研发成本。分析结果可以看出，气流流经密封分叉通道或直角弯道时，会发生气流扰动，流速变化明显。通道截面积相同时，流速越快，气体扩散速度越快，混合均匀所需时间越短。在气路通道的结构设计时需保证通道过渡平滑，避免直角和分岔的气路通道。参考文献:1 胡喜凤,刘沛明.理想气体方程在工业测量中的应用J.中国高新技术企业,2014(19):46-48.2 徐啸,周昊,刘军,等.仿生自洁减阻技术在流体管道中的应用与研究J.化工设备与管道,2013,50(3）：74-77.3 杨浩,张敏.基于FLUENT的鼓网反冲洗装置射流参数优化J.自动化技术与应用,2020(2):1-4.4 徐文.氨气泄漏扩散过程的数值模拟研究D.天津:天津理工大学,2015.5 张兆顺,崔桂香.流体力学(第3版)M.北京:清华大学出版社,2015.6 王亚萍,马唯,李智鑫,李海军,吴静.高粘度金属漆搅拌器流场数值模拟J.自动化技术与应用,2021(2):170-173,177.作者简介:李勇（1985-），男，本科，助理工程师，研究方向：医疗器械气路系统。(上接第19页)87