气流脉动分析介绍-LF
压缩机气流脉动分析方法及应用研究现状
压缩机气流脉动分析方法及应用研究现状［摘要］近年来，在整个国民经济不断进步的大背景下，能源化工行业作为国民经济的基础和支柱型产业，也得到了迅猛发展。
压缩机作为能源化工行业中常用的动设备装置，人们对其性能和可靠性的要求也越来越高。
其中容积式压缩机的气流脉动问题是影响压缩机性能、噪声和安全性的主要因素。
有关气流脉动分析方法和理论模型的研究一直以来被广大的研究人员所重视。
本文调研了压缩机气流脉动分析方法及研究现状，并指出了今后重点需关注的研究内容。
［关键词］压缩机；气流脉动；频域分析；数值模拟doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.08.052 ［中图分类号］F273；U463 ［文献标识码］A ［文章编号］1673-0194 （2016）08-00-01概述气流脉动的分析模型主要包括频域和时域两大类，不同的分析模型具有不同的分析对象和局限性。
频域分析法由于其具有相对较高的计算效率，得到了更广泛的应用。
但频域分析方法中的模态展开法在声源计算模型方面的研究还存在一定问题，现有的声源模型存在发散性、压力不均匀性和计算效率低等缺点，导致压缩机气流脉动频域分析的计算结果可靠性不高，因此，有必要研究新的声源模型提高压缩机气流脉动的分析精度。
另一方面，气流脉动引发的噪声问题也是容积式压缩机的主要噪声源。
目前，噪声污染已经与水污染、大气污染、固体废弃物污染共同被看成是世界范围内4 个主要环境问题。
在这种背景下，有效控制容积式压缩机的噪声问题，不仅是满足国家法律法规的基本要求，而且是企业提升产品品质、增强企业自身竞争力的有力手段。
研究压缩机工作过程气流脉动规律需要将压缩机气流脉动理论模型与实际压缩机工作过程的数学模型进行耦合。
近年来，随着计算机技术的不断进步，数值分析的范围得到进一步拓展，各种气流脉动分析方法都得到了一定程度的发展。
从总体上看，根据压缩机气流脉动基本处理方法的不同，主要可从分析域的角度分为频域模型和时域模型两大类。
往复压缩机管道气流脉动分析及控制
GAO Bao-hua2, LEI Shu-ya2, SHEN Jiu-bing2, FENG Hui-min2, QIN Zhi-jian2 （1. Shanghai Sikeluo Compressor Co. Ltd., Shanghai 201504, China; 2. Jiangsu University of Science and
3 气流脉动的计算
平面波动理论，在一般情况下 （脉动幅值为 平均压力的8%以内） 能够比较准确的计算管道中 的气流脉动，可以满足工程实际应用。平面波动 方程由以下3个方程推导而来
连续性方程
坠坠籽軃tt + 坠（坠籽軃xtu軈t）=0 动量方程
坠（坠籽軃ttu軈t）+
坠（籽軃坠tu軈xtu軈t）=-
坠p軈t 坠x
1 引言
往复压缩机是石油、化工等工业生产过程不可 或缺的核心设备，其间断性的吸排气过程会造成管 道内压力周期性变化，产生气流脉动。气流脉动不
收稿日期：2019-03-11
但会降低压缩机效率，产生噪声，还会引起管道振 动[1]，而管道振动是影响往复压缩机稳定可靠运行 的一主要因素。强烈的管道振动会引起管道与连接 附件发生松动、容器管口法兰连接处变形发生泄 漏、管道支撑振动破坏等多方面的危害 [2]。为此， 在布置压缩机管道时，要遵循相关标准，进行合理 有效的计算，严格把关现场安装，从而将管道振动
Technology, Zhenjiang 212003, China）
Abstract: Pipeline vibration is an important safety hazard in the application of reciprocating compressors. This paper mainly described how the pipeline vibration is caused by the gas pulsation in reciprocating compressors. Based on plane wave theory, the gas pulsation of one reciprocating compressor's pipeline was calculated and an原 alyzed. Moreover, the gas pulsation was proofread according to the requirements of relevant flow pulsation in API618. The method of adding orifice plate was adopted to reduce the pressure pulsation amplitude. By installing an appropriate orifice plate at the outlet of the exhaust buffer, the pressure pulsation amplitude was finally con原 trolled within the range specified in the standard. Key words：reciprocating compressor; gas pulsation; plane wave theory; orifice plate
气流脉动分析介绍LF
流体参数设置(参数说明在下页)
气体参数：
1. Static Pressure：静压力 2. Static Temperature:静温度 3. Z Factor：气体偏差因子 4. Cp/Cv：气体定压比热容和定 容比热容之比 5. Specific Heat Capacity：比热容 6. Thermal Conductivity：热导率 7. Isentropic Exponent：等熵指数
力分析软件AutoPIPE模型中 有助于发现振动问题，从而进行滤波器设计 自动生成天然气等混合气的气体属性
管线的振动往往会引起很大的管线应力，很多 时候可能引起管线过载而破坏管线。所以此处讨论一 下如何使用PULS分析设备振动引起的管线振动。
PULS的两种建模方式：
直接在PULS中建模 将AUTOPIPE模型导入PULS软件（本案例使用）
脉动分析软件 BENTLEY PULS
活塞式压缩机在运转过程中，由于吸气、排气是间 断性的，两者交替着进行，使管道内气流呈脉动状 态；另外，活塞运动速度又是随时间而变化的，这 种现象会引起气流的压力脉动。
气流的压力和运动呈周期性变化，这种现象叫气流 脉动。
气流脉动给压缩机工作带来不利的影响，例如， 使压缩机的指示功率增加；降低气阀的使用寿命； 引起排气量的增大或减小；破坏安全阀的严密性 以及造成管道和设备的振动。
气体属性是通过Benedict–Webb-RubinStarling(BWRS)，Soave-Redlich-Kwong (SRK)， Peng-Robinson (PR)状态方程计算，同时PULS 也 允许用户自定义流体属性。
PULS 提供了批报告输出和交互式图形输出，通过
图形可以动态的显示声学响应模态。主要的结果包 括基于API618 技术指南的脉动幅值，脉动压力的 频谱图，容积流量，阻抗，振动激发力和p－V 图。
天然气压缩机管路系统气流脉动及管道振动研究
天然气压缩机是油气化工工艺装置中的重要设备，管路系统振动是管道设计、压缩机运行中最常见问题。
管道系统振动问题会直接提升对压缩机的危害性，会直接降低压缩机容积效率，降低排气量、增加运行损耗、缩短气阀和控制仪表使用寿命，同时管道系统振动问题还会导致连接部位、附件松动或破裂，对天然气压缩机运行安全、成本有着很大影响。
特别是易燃易爆气体，一旦发生管道振动问题，容易产生泄露着火等事故。
所以，必须全面分析管道系统振动问题，并提出相应的缓解方案。
1 气流脉冲引起管道振动的原因天然气压缩机运行振动很有可能带动管道振动，此类振动通常发生在机械附近的管道中。
如果管道与机器之间的间距较大，则管道振动会随着长度而衰减。
该类振动可以分为：一是机器自身振动带动连接管道振动；二是压缩机动力平衡不佳，机械振动引发基础振动，管道支架、吊架根部与基础连接，从而造成管道振动。
但这些振动问题都属于机械振动。
天然气压缩机在实际运行中，气缸重点活塞会周期性反复运动，吸排气具有周期性、间歇性特点，管道气天然气运动参数，如速度、压力、密度等不仅会在不同位置发生变化，同时也会随着时间的推移产生周期性变化，也就是气流脉动现象。
在脉动气流遇到弯头、控制阀、异径管、盲板等元器件时，会随着时间推移除转化为激振力，在激振力的作用下，管道中会产生机械振动响应，该振动情况可以沿着管道系统传输非常远。
由于气柱本身就有固有频率，一旦激发频率和固有频率重合，会加剧气柱的气流反应，产生更加强大的气流压力脉冲，产生管路机械共振情况。
如果激发频率、气柱固有频率、管路机械固有频率三者重合，此时管道、气柱均处于共振状态，进一步加剧共振情况。
由于工艺自身的原因限制，天然气压缩机气流脉动始终存在，需要控制合理的振动范围，事先做好整机气流脉动、振动分析计算的相关措施，则可以有效避免一些不必要的损失或事故。
特别是对于新设计的机组，必须严格控制装置气流脉动、管道振动情况，保证天然气压缩机正常运行。
大型往复式压缩机气流脉动及管道振动研究
华中科技大学硕士学位论文摘要作为流体压缩及动力输送的通用机械，压缩机一向被视作化工行业的核心设备，其能否安全平稳地运行直接关乎相关企业经济效益。
活塞压缩机进、排气过程带有间断特性，使得进排气管内气流参数呈脉动变化，出现气流脉动现象。
气流脉动极易导致管道振动，从而引发压缩机容积效率变低、功率损耗增加等危害。
因此，研究脉动产生机理及其对管道振动特性产生的影响便具有较强意义。
本文针对阀腔压力脉动与管道振动作了以下研究。
建立了求解阀腔压力脉动的数学模型，综合考虑了压缩机阀腔、阀片运动和管道系统等对气流脉动的影响，将压缩机和管系作为一个动态关联的整体进行研究，使得压缩机工作特性的气流脉动分析更接近实际情况，计算结果精度更高。
根据压缩机工作和阀片运动规律特性的模拟结果，对是否考虑阀腔影响的两种情况，进行对比分析，结果表明，若考虑阀腔影响，阀片撞击升程限制器的速度增加约10%，容易损坏阀片。
然后讨论了阀片升程、弹簧刚度及阀片质量等气阀结构参数对气阀运动规律和缸内压力的影响。
另外，通过阀腔压力脉动模型的求解，获得了进气阀腔的压力变化情况，压力不均匀度为3.49%，在合理范围内。
基于流固耦合模态与气柱固频分析的基本理论，探索了压力、壁厚、内径等参数对所建管道固频的影响情况，并进行了管内气柱模态分析。
基于模态分析结果，对弯管内气体处于非定常状态时管路振动响应问题进行数值分析，同时还研究了脉动流体的频率与幅度等参数对管道响应的影响规律。
研究发现，压力脉动使管道应力出现较大波动（7%），这种较大幅度的交变应力极易破坏管道；在流固耦合作用下，管道基频随压力脉动频率的增大而升高，且当管道基频或气柱固频与气流脉动频率相近（共振）时，管道变形增大为非共振情况的2-3倍。
关键词：大型往复压缩机；气阀运动规律；阀腔压力脉动；管道振动；瞬态分析华中科技大学硕士学位论文AbstractAs a general machine of fluid compression and power delivery, compressor always been regarded as the core equipment of the petrochemical industry. Whether safe and smooth operation is directly related to the economic interests of the related enterprises. The inlet and exhaust process of piston compressor is intermittent, which makes the parameters of the air flow in the inlet and exhaust pipes change periodically, and then the flow pulsation occurs. Airflow pulsation can cause pipeline vibration easily, which leads to lower volumetric efficiency of compressor and the increasing of power loss etc. Therefore, it has great significance to study the mechanism of pulsation and its’ influence on the vibration characteristics of pipeline. In this paper, the pressure pulsation of valve cavity and the vibration of pipeline are studied as follows.First, we established the mathematical model of pressure fluctuation in valve chamber. The influence of valve chamber, valve motion and pipeline system on the flow pulsation are considered synthetically in this model, which makes the compressor and pipe system formed integrally, and this kind of air flow pulsation analysis combined with compressor working characteristics will make the calculation results more accurate and closer to the actual situation.According to the simulation results of compressor work and the motion law of valve plate, we compared and analyzed the influence of with or without valve cavity, the rsults show that if we take into account the valve cavity, the speed of valve plate impact lift limiter is increased by about 10%, and the valve plate is easily damaged. After that, we discussed the influence of valve structure parameters such as valve plate lift, spring stiffness and valve blade mass on valve motion and cylinder pressure. By solving the pressure fluctuation model of the valve cavity, the pressure variation of the inlet valve cavity is obtained, and the pressure inhomogeneity is 3.49, which is within a reasonable range.华中科技大学硕士学位论文Last, we studied the influence of pressure, wall thickness and inner diameter on the natural frequency of the pipeline based on the basic theory of fluid-solid coupling and modal analysis. After the modal analysis of the gas column in the pipe was carried out, based which numerical analysis of the vibration response of the pipe was done when the gas in the bend is in an unsteady state. At the same time, the influence of the frequency and amplitude of the pulsating fluid on the pipeline response is also studied. We found that the pressure pulsation causes the pipeline stress to fluctuate greatly (7%), which is easy to destroy the pipeline, and the fundamental frequency of the pipeline increases with the increase of the pressure pulsation frequency under the action of fluid-solid coupling. When the fundamental frequency of the pipeline or the fixed frequency of the gas column is close to the pulsating frequency of the gas flow (resonance), the deformation of the pipeline increases 2-3 times as much as that of the non-resonance case.Keywords: Large Reciprocating compressor; Motion law of valve; Pressure pulsation of valve chamber; Pipe vibration; Transient analysis华中科技大学硕士学位论文主要符号表h阀片位移 y阀片运动速度 θ曲轴转角 v M阀片质量 ω曲轴转角速度 β 推力系数 p气体压力 s p 进气压力 d p排气压力s A气阀推力面积so p进气阀腔气体初始压力 do p排气阀腔气体初始压力 so ρ 进气阀腔初始气体密度 do ρ排气阀腔初始气体密度 z气阀弹簧个数 K弹簧刚度系数 0H弹簧预压缩量 k气体绝热指数 V气体容积 A α气阀有效通流面积 R气体常数 s T进气温度 d T排气温度 S活塞行程p A活塞底面积 λ曲柄半径与连杆长度比值 0V余隙容积 D气缸直径 1α阀隙流量系数 e α阀座通道流量系数 v A环周长 e A阀座通道面积 1N进气阀个数 2N排气阀个数 Q热量W 功 下标imp 碰撞值 下标reb 反弹值 下标s进气 下标d排气H阀片升程s Φ进气管道质量流量 csΦ流经进气阀气体质量流量 cdΦ流经排气阀气体质量流量 d Φ 排气管道质量流量s ρ进气密度华中科技大学硕士学位论文s L进气管道长度 d L排气管道长度 d ρ排气密度 s V进气阀腔体积d V排气阀腔体积s λ进气管沿程阻力损失系数 d λ排气管沿程阻力损失系数 R C 阀片反弹系数 s K进气管局部阻力系数d K排气管局部阻力系数华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract ........................................................................................................... I I 主要符号表 (IV)目录 (VI)1绪论 (1)1.1 课题背景与研究意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 本文主要工作 (6)2往复式压缩机阀腔压力脉动数学模型 (8)2.1 引言 (8)2.2 压缩机工作过程数学模型 (8)2.3 阀片运动方程 (11)2.4 阀腔压力控制方程 (13)2.5 管内气体流动方程 (15)2.6 阀腔压力脉动数学模型及计算条件 (16)2.7 本章小结 (18)3阀片运动及阀腔压力脉动模拟 (20)3.1 引言 (20)华中科技大学硕士学位论文3.2 阀片运动规律与影响因素分析 (20)3.3 阀腔压力脉动分析 (27)3.4 本章小结 (28)4输气管道流固耦合模态分析及气柱固有频率计算 (29)4.1 引言 (29)4.2 流固耦合基本原理 (29)4.3 管道结构模态分析 (33)4.4 气柱固有频率计算 (41)4.5 本章小结 (44)5管道流固耦合瞬态特性分析 (45)5.1 引言 (45)5.2 弯曲管道流固耦合模型 (45)5.3 数值分析 (47)5.4 结果分析及不同因素影响 (47)5.5 本章小结 (54)6总结与展望 (56)6.1 全文总结 (56)6.2 研究展望 (57)致谢 (58)华中科技大学硕士学位论文参考文献 (59)硕士期间研究成果 (66)华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1 课题背景与研究意义作为流体压缩及动力输送的给予者，压缩机一向被视作化工行业的核心设备，压缩机将流体加压加速后使其快速涌向装置的其他部位，其能否安全平稳地运行直接关乎相关企业经济利益。
活塞压缩机气流脉动数值模拟和实验验证
活塞压缩机气流脉动数值模拟及实验验证1、绪论1.1 研究背景及意义活塞式压缩机广泛应用于石油、化工、冶金、天然气行业，作为一种重要的气体增压设备，在一些工艺流程中发挥着关键作用，这些设备能否正常运行直接关系到企业的生产能力[1]。
在持续安全生产中威胁最大的是管道振动，而管道振动的最大诱因就是气流脉动。
由于活塞式压缩机吸、排气的非连续性，不可避免使管道内气体压力出现周期性的波动，这就是气流脉动[1,2];活塞式压缩机管道系统都存在一定程度的气流脉动，这种脉动的压力在管道的突变截面、弯头、盲管、阀门等处产生交变的激振力，进而引发振动，工业现场经常出现剧烈的管道振动导致管路焊接处或法兰联接处振断，造成生产事故。
控制管道振动首先应准确掌握管道系统的气流脉动情况，尤其是管道系统中关键节点如气缸连接法兰、弯头、阀门等处的压力脉动幅值。
分析气流脉动的方法主要有两种，一种是平面波动理论，另一种是一维非定常可压缩流体流动理论[3]。
平面波动理论是研究气流脉动现象时最早发展起来的理论，这种方法做了几个方面的重要假定：压力脉动值相对管道气流的平均压力值很小[4,5];气体遵守理想气体的性质;认为管道中气体流速相对声速小到可以忽略不计的程度[6]。
因此波动理论建立气体脉动的控制方程时能做线性化处理，最终得出能求解析解的波动方程。
在符合假定的条件下，波动理论能预测出符合实际的压力脉动幅值。
波动理论作出的假定在数学模型上就决定了它不能完整描述管道内压力波和非稳态流动耦合的复杂现象。
一般认为波动理论对气体与管道壁面摩擦考虑不足，导致其在脉动幅值较大尤其共振状态下计算值偏大。
此外波动理论在实际求解过程中将整个管道元件中的气流参数平均值取作气流参数值进行计算，这就决定了管道内气流参数值是常数而不是随实际状态变化的值，这降低了波动理论的模拟压力脉动的准确度。
非定常可压缩流动理论在建立描述管道内气流脉动现象的控制方程时，没有忽略非线性因素，综合考虑了气体与管道壁面的摩擦问题，实际气体性质的问题[2]。
天然气压缩机管路系统气流脉动及管道振动分析
文章编号: 1005—0329(2008)05—0039—04经验交流天然气压缩机管路系统气流脉动及管道振动分析刁安娜,王 宇,冯健美,彭学院(西安交通大学,陕西西安 710049)摘 要: 对存在严重振动问题的某天然气压缩机的进气管路进行了气流脉动和管道振动分析,提出了管路调整措施。
通过气流脉动分析,得到了气柱共振频率及其对应的转速,以及出现最大压力脉动幅值的转速和管路位置;通过管道振动分析,获得了管路结构模态和激发响应,从而了解引起管道结构共振的固有频率和激发响应下的最大振动位移。
对改造前后的管路进行了比较分析,结果表明:改造后的管路气流脉动最大幅值从17.65%降低到11.38%,最低结构固有频率从2.6Hz提高到12.2Hz,最大振动幅值从0.393mm减少到0.117mm。
改造后的管路在实际运行中,380r/m in时测得最大振动幅值从0.4mm减少到0.1mm,表明调整措施是合理的。
关键词: 天然气压缩机;气流脉动;管道振动;模态分析中图分类号: TH45;T B535 文献标识码: AAna lysis on Ga s Puls a ti on and P i p i n g V i bra ti on i n the P i p i n g Syste m of Na tura l Ga s Co m pressorD I A O An2na,WANG Yu,FE NG J ian2mei,PE NG Xue2yuan(Xi’an J iaot ong University,Xi’an710049,China)Abstract: The analytical study on the gas pulsati on and p i p ing vibrati on in a natural gas p i peline was p resented,based on which the measures are suggested t o contr ol the excessive vibrati on.W ith the gas pulsati on model established,the natural fre2 quency f or the gas pulsati on is obtained,the maxi m al pulsati on a mp litude t ogether with the positi on is esti m ated,and the shaking forces inducing the vibrati on are calculated.I n the vibrati on analysis,the vibrati on mode and the forced res ponse of the p i p ing syste m are p paris on ass ociated with the pulsati on and vibrati on bet w een the original p i peline and the modified one shows that the maxi m u m p ressure pulsati on in the modified p i peline decreases fr om17.65%t o11.38%,the l owest natural fre2 quency f or structural vibrati on increases fr om2.6Hz t o12.2Hz and the maxi m u m vibrati on amp litude reduces fr om0.393mm t o 0.117mm.Validati on test shows that the maxi m u m vibrati on a mp litude reduces fr om0.4mm t o0.1mm at380r/m in,which indi2 cates that the p i peline modificati on on the basis of pulsati on and vibrati on analysis is reas onable.Key words: natural gas comp ress or;gas pulsati on;p i p ing vibrati on;mode analysis1 前言天然气压缩机气流脉动激发的管道振动,对天然气集输装置的安全运行具有很大的威胁。
压缩机气体脉动分析和管道振动分析(2)
管道振动分析 ： 有限元方法实例
结果提取： 1. 进一步可以选择频率21Hz，相位171.759 度时的整个管道的应力和变形情况。 2. 当然，程序也可观察任意频率、任意相位 角下的变形情况。 3. 由此可以看出，振动分析所产生的数据量 是非常巨大的。
管道振动分析 小结
1. 与静力分析相比，管道的振动分析无论是建模 输入还是结果数据都非常复杂，特别是对结果 的分析评判需要比较丰富的理论知识背景，同 时还需要比较丰富的经验和技巧。
第一阶 （基频）
第二阶 第三阶
管道振动分析
前面提到，多自由度系统的振动响应是各个振型的某种线性叠加。因此，在振动分析中，我 们可以采用振型分解法，先将整个系统分解为各个主振动，然后求解在外激励作用下各个主 振动的响应，最后将结果进行叠加就可以得到系统真正的振动响应。这个方法就是著名的振 型叠加法 或者 模态叠加法。 由于分布质量系统具有无穷多个自由度，因此也就具有无穷多个振型，但这并不意味着我们 需要提取无穷多个振型来进行分析，事实上，只有低阶振型对振动的贡献比较大。
结果提取： 1. 利用后处理程序，我们可以观察到，节点 10在x方向的振动位移，在频率为21Hz时 达到峰值。
管道振动分析 ： 有限元方法实例
结果提取： 1. 进一步输出结果，发现节点10在外激励频 率为21hz时，响应幅值2.688mm，对应 的相位差是171.759度。
2. 这里面有一个重要的概念，振动的最大响 应与输入外激励是不同步的。在本例中我 们初始输入外激励的相位是0，最大响应 则出现在171.759
管道振动分析
运动物理方程
通常，为了分析的方便，运动物理方程都将表示成矩阵的形式：
管道振动分析
把该方法推广到多自由度系统的一般形式，运动方程为：