雙螺桿壓縮機(jī)CFD仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

龍 驥 何雪明 姜振鋼

(1. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

雙螺桿壓縮機(jī)具有可靠性高，操作維護(hù)方便、動(dòng)力平衡好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制冷[1]、食品[2-3]等工業(yè)部門日常生產(chǎn)過程中，如易拉罐、飲料瓶的清洗和原料攪拌、發(fā)酵等[4-5]。雙螺桿壓縮機(jī)具有2個(gè)結(jié)構(gòu)特殊的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與機(jī)殼構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的空間，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)腔體內(nèi)部的空氣轉(zhuǎn)動(dòng)并完成壓縮。其內(nèi)部的氣體流場(chǎng)是一個(gè)典型的三維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)[6]，此外，內(nèi)部流體的流場(chǎng)特性還受到吸、排氣孔口的形狀[7]、位置以及主機(jī)機(jī)殼結(jié)構(gòu)等其他因素的影響，通過一般方法研究壓縮機(jī)內(nèi)部的特性，如流速、溫度等，具有一定的難度，而采用CFD方法對(duì)雙螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行仿真分析，可以有效地提高設(shè)計(jì)效率。CFD計(jì)算將原本連續(xù)的物理量場(chǎng)用有限個(gè)離散點(diǎn)的變量值代替，按照一定規(guī)則建立離散點(diǎn)變量之間的關(guān)系方程并求解出場(chǎng)變量的近似解[8-9]，為解決通常雙螺桿壓縮機(jī)流體域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計(jì)算無法獲得一個(gè)完全守恒解決方案的問題，網(wǎng)格劃分時(shí)采用多個(gè)軟件對(duì)流體域進(jìn)行混合處理的方式，而且該法可以克服以往Fluent動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算時(shí)易出錯(cuò)和為方便計(jì)算進(jìn)行人為放大陰陽轉(zhuǎn)子間間隙的問題，提高了仿真結(jié)果的可信度[10]。為了證明CFD分析的有效性，需要搭建壓力測(cè)試平臺(tái)，通過對(duì)比試驗(yàn)與仿真的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證分析計(jì)算結(jié)果的真實(shí)有效性。

1 雙螺桿壓縮機(jī)的基本原理

雙螺桿壓縮機(jī)是一種做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的容積式氣體壓縮機(jī)械，隨著螺桿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，陰陽轉(zhuǎn)子間的齒間容積沿轉(zhuǎn)子軸線從吸氣端運(yùn)動(dòng)到排氣端，且齒間容積由小到大再變小，發(fā)生周期性的變化，完成吸氣、壓縮和排氣過程[11]。

2 流體動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 建立流體模型

雙螺桿壓縮機(jī)工作時(shí)，工作腔內(nèi)的氣體被轉(zhuǎn)子和機(jī)殼封閉，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，每一個(gè)工作腔內(nèi)的氣體都沿著軸向輸送并被壓縮，要模擬這一過程，則需利用已知的吸、排氣口參數(shù)以及陰陽轉(zhuǎn)子型線數(shù)據(jù)分別建立進(jìn)氣腔、排氣腔和工作腔的流體模型，組合成完整的CFD流體模型。利用三維建模軟件建立如圖1所示的雙螺桿壓縮機(jī)流體模型。流體模型在計(jì)算時(shí)采用了以下幾個(gè)方面的假設(shè)：

① 壓縮機(jī)機(jī)頭內(nèi)部的氣體為理想氣體；

② 壓縮機(jī)機(jī)頭內(nèi)部流場(chǎng)處于絕熱狀態(tài)；

③ 忽略潤(rùn)滑油對(duì)氣體造成的影響。

2.2 網(wǎng)格劃分

本研究選擇的CFD仿真軟件是STAR CCM+，該軟件是新一代的CFD求解器，功能強(qiáng)大，求解速度較快，計(jì)算過程較穩(wěn)定。

雙螺桿壓縮機(jī)的流體模型通常采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分[12-13]，但由于非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格無法獲得一個(gè)完全守恒的解決方案，因此不能很好地滿足雙螺桿壓縮機(jī)的CFD分析。本研究面網(wǎng)格劃分選用“壓印求差法[10]”，通過直接旋轉(zhuǎn)陰陽轉(zhuǎn)子的網(wǎng)格模型，來模擬陰陽轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)，利用壓印和求差的方式得到工作腔流體模型，然后將上一次迭代的結(jié)果映射到新生成的模型網(wǎng)格中繼續(xù)計(jì)算，可以保證陰陽轉(zhuǎn)子間有足夠小的間隙，更加符合實(shí)際情況。而且每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒的角度后，將陰陽轉(zhuǎn)子的面網(wǎng)格模型重新替換成原始的位置狀態(tài)，以消除由轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而累積的誤差。該方法計(jì)算速度快，精度高，計(jì)算過程很穩(wěn)定，不容易出錯(cuò)。

本研究對(duì)排氣腔流體域以及進(jìn)氣腔流體域采用多面體網(wǎng)格，以加快計(jì)算的收斂速度。工作腔流體域是通過壓印求差方式得到的，而且在計(jì)算過程中不斷進(jìn)行，所以適合采用切割體網(wǎng)格，即六面體網(wǎng)格。流體域的面網(wǎng)格和體網(wǎng)格劃分效果見圖2。

圖2 流體域網(wǎng)格模型Figure 2 Fluid domain mesh model

2.3 計(jì)算物理模型

根據(jù)壓縮機(jī)的工作狀態(tài)和內(nèi)部環(huán)境，選擇瞬態(tài)計(jì)算、Realizablek-ε湍流模型，該模型能夠適用雷諾應(yīng)力中的約束條件，可以保證CFD模型中與真實(shí)湍流中的雷諾應(yīng)力保持相同，從而能夠更加精確地對(duì)平面及圓形射流的擴(kuò)散速度進(jìn)行模擬計(jì)算，使得最終的模擬結(jié)果與真實(shí)情況更加吻合，這是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和RNGk-ε模型都無法做到的。

2.4 邊界條件和計(jì)算參數(shù)設(shè)置

根據(jù)壓縮機(jī)的工況，需要設(shè)置CFD模型的進(jìn)出口、交界面以及對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)。進(jìn)氣口與出氣口的邊界條件類型設(shè)置為壓力出口邊界(Pressure Outlet)，并將兩者的回流屬性設(shè)置成正常回流邊界(Boundary Normal)，表示流體是垂直進(jìn)入所設(shè)置的邊界面。3個(gè)流體域相接觸的面的屬性需要設(shè)置為交界面(Interface)，它們重疊相交的部分即為交界面連通的部分。各個(gè)交界面的位置與形狀見圖3。其中交界面1的連通形狀和大小不會(huì)隨著陰陽轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)變化，運(yùn)動(dòng)屬性設(shè)置為表面滑動(dòng)(Slide on Guide Surface)，而交界面2和3的連通形狀和大小會(huì)隨著陰陽轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷改變，運(yùn)動(dòng)屬性設(shè)置為浮動(dòng)(Floating)。最后將其他的面都設(shè)置為固壁邊界(Wall)。進(jìn)出口壓力、時(shí)間步長(zhǎng)、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1。

2.5 CFD仿真結(jié)果分析

CFD計(jì)算過程一般需要較長(zhǎng)的時(shí)間，不斷計(jì)算迭代，直到壓縮機(jī)模型的壓力、速度等參數(shù)到達(dá)了周期性穩(wěn)定，則說明計(jì)算已完成，結(jié)果可以做壓縮機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的參考。圖4為壓縮機(jī)運(yùn)行0.12 s 后的螺桿齒面和軸向絕對(duì)壓力分布云圖，可以看到螺旋槽中的壓力梯度分布很明顯，此時(shí)壓縮機(jī)內(nèi)部的最高壓力值達(dá)到了0.96 MPa。為了進(jìn)一步查看壓縮機(jī)螺桿中的壓力梯度分布變化，以及隨時(shí)間壓力變化情況，在CFD模型中放置一些監(jiān)視點(diǎn)，如圖5所示，截面a離排氣端面10 mm，在截面a中的圓周從圓周頂部開始，間隔72°放置一個(gè)監(jiān)視點(diǎn)。然后底部的2個(gè)監(jiān)視點(diǎn)沿軸向每隔54 mm再放置一個(gè)監(jiān)視點(diǎn)，過監(jiān)視點(diǎn)垂直于軸做截面，得到截面b～e。

1. 壓力入口 2. 交界面1 3. 交界面2 4. 交界面3 5. 壓力出口

圖3 雙螺桿壓縮機(jī)流體域交界面與壓力出入口 Figure 3 Fluid domain interface and pressure inlet and outlet of twin screw compressor表1 CFD計(jì)算中相關(guān)計(jì)算參數(shù)Table 1 Related data Tables in CFD computing

其中截面a中有P1a、P2a、P3a、P4a 4個(gè)監(jiān)視點(diǎn)，截面b～d各有2個(gè)監(jiān)視點(diǎn)，截面e中有P5e一個(gè)監(jiān)視點(diǎn)。各點(diǎn)的間距與角度的設(shè)置恰好使得任意時(shí)刻圖5中在同一個(gè)螺旋槽中的監(jiān)視點(diǎn)一直都在同一個(gè)螺旋槽中。從理論上分析，在圖5中所示的時(shí)刻，螺旋槽1的位置恰好脫離了低壓區(qū)開始?jí)嚎s，螺旋槽5的位置處于低壓區(qū)，螺旋槽2～4壓力逐漸增高。這些監(jiān)視點(diǎn)處的壓力隨時(shí)間變化見圖6，值得說明的是，監(jiān)視點(diǎn)是固結(jié)于機(jī)殼上的，并不隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。從圖6中可以看出同一個(gè)螺旋槽在不同截面處的壓力變化完全一致，壓力變化周期約為0.004 s，恰好是陽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒的時(shí)間。每個(gè)螺旋槽中的壓力呈梯度分布，P5d和P5e對(duì)應(yīng)的位置處于進(jìn)氣的低壓區(qū)，所以壓力波動(dòng)并不明顯，其他的監(jiān)視點(diǎn)都處于壓縮過程，壓力波動(dòng)明顯。

監(jiān)視點(diǎn)P4a處于排氣口處，其壓力變化如圖6(b)所示，可以看到該點(diǎn)處的壓力波動(dòng)是最明顯的，氣體壓力從P3a和P3b中的0.26 MPa直接壓縮到0.95 MPa左右，說明該處螺旋槽的容積變化最劇烈，該點(diǎn)的最高壓力與圖4 (a)中排氣口處的壓力相對(duì)應(yīng)。將每個(gè)監(jiān)視點(diǎn)的最高壓力一起比較，如圖7所示，可以看成陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為0°時(shí)一個(gè)螺旋槽恰好吸氣完成開始?jí)嚎s的時(shí)刻，隨著陽轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋槽內(nèi)部壓力變化。從這些監(jiān)視點(diǎn)的壓力變化中可以看出，雙螺桿壓縮機(jī)的氣體壓縮過程并不是一個(gè)均勻的過程，越接近排氣口變化越劇烈。從圖7中可以更加直觀地看到，隨著陽轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，螺旋槽內(nèi)部的壓力前期很慢，但轉(zhuǎn)角在約300°之后，其內(nèi)部的壓力陡然增大。

圖4 雙螺桿壓縮機(jī)CFD壓力云圖Figure 4 CFD pressure cloud map of twin screw compressor

1. 螺旋槽1 2. 螺旋槽2 3. 螺旋槽3 4. 螺旋槽4 5. 螺旋槽5 6. 截面a 7. 截面b 8. 截面c 9. 截面d 10. 截面e 11. 監(jiān)視點(diǎn)

圖5 CFD仿真中監(jiān)視點(diǎn)位置

Figure 5 Monitoring points position in CFD simulation

圖6 各監(jiān)視點(diǎn)處壓力—時(shí)間圖Figure 6 Pressure-time diagram at various monitoring points

3 雙螺桿壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)搭建

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

為了能夠驗(yàn)證雙螺桿壓縮機(jī)流體仿真結(jié)果的真實(shí)可靠性，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)來采集壓縮機(jī)內(nèi)部的壓力數(shù)據(jù)。試驗(yàn)平臺(tái)的示意圖見圖8(a)，主要機(jī)器設(shè)備有螺桿壓縮機(jī)主機(jī)、信號(hào)采集處理系統(tǒng)、儲(chǔ)氣罐和計(jì)算機(jī)。而螺桿壓縮機(jī)主機(jī)需要有油氣分離器、冷卻器、氣體干燥器、電機(jī)等設(shè)備進(jìn)行配套使用，這就組成了整個(gè)空壓機(jī)的系統(tǒng)。

圖7 陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角與壓力關(guān)系圖Figure 7 The relationship between the transfer of the male rotor and the pressure

圖8 試驗(yàn)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)Figure 8 Design of experimental platform

如圖9(a)所示，考慮到加工的可行性，為了安裝壓力傳感器，需要在壓縮機(jī)的機(jī)殼上打一個(gè)圓孔，將傳感器安裝在機(jī)殼上位于靠近排氣端面的陽轉(zhuǎn)子軸線正上方，即圖5中監(jiān)視點(diǎn)P1a處。該傳感器能夠測(cè)出壓縮機(jī)在工作工程中該點(diǎn)處的壓力變化數(shù)據(jù)。壓力傳感器安裝三維示意圖見圖9(b)。

3.2 雙螺桿壓縮機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

試驗(yàn)中空壓機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n1=2 940 r/min，主機(jī)中的陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)z1=5，則陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒的時(shí)間為：T=60/(n1z1)=60/(2 940×5)=0.004 082 s。

1. 壓力傳感器 2. 陰轉(zhuǎn)子 3. 機(jī)殼 4. 陽轉(zhuǎn)子 5. 排氣端面 6. 吸氣端面 圖9 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)Figure 9 Design of signal acquisition system

試驗(yàn)中在陽轉(zhuǎn)子一個(gè)齒之間采集100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，空壓機(jī)在工作時(shí)有2個(gè)狀態(tài)——加載和卸載狀態(tài)。設(shè)定的排氣壓力為0.8 MPa，壓力下限是0.7 MPa。在排氣口壓力未達(dá)到0.8 MPa之前，空壓機(jī)啟動(dòng)后會(huì)處于加載狀態(tài)，當(dāng)排氣口達(dá)到0.8 MPa時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)氣口關(guān)閉，處于卸載狀態(tài)，此時(shí)壓縮機(jī)不再供氣，當(dāng)排氣口壓力回落到0.7 MPa時(shí)，空壓機(jī)的進(jìn)氣口又重新開啟，空壓機(jī)又進(jìn)入了加載狀態(tài)，一直循環(huán)往復(fù)。

圖10為空壓機(jī)啟動(dòng)到停止整個(gè)過程中氣體壓力值變化圖，共有近1.9×105個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖10中空壓機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)后首先進(jìn)入卸載狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)氣口不吸氣，將原有的內(nèi)部空氣排空，空壓機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)及卸載狀態(tài)的采樣數(shù)據(jù)分別見圖11(a)、(b)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)卸載狀態(tài)的壓力值在從靜止?fàn)顟B(tài)的0.100 MPa 降至0.008 MPa左右。卸載狀態(tài)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值很混亂，并沒有明顯的周期性。

當(dāng)開始階段的排氣完成后，空壓機(jī)進(jìn)入加載狀態(tài)，進(jìn)氣口打開，開始吸氣，空壓機(jī)從卸載狀態(tài)切換到加載狀態(tài)如圖11(c) 所示，壓力明顯幾乎瞬間升高，而且數(shù)據(jù)點(diǎn)開始具有一定的周期性，如圖11(d)所示的加載狀態(tài)，數(shù)據(jù)點(diǎn)以每100個(gè)點(diǎn)為周期循環(huán)，壓力值為0.10～0.15 MPa。這是陽轉(zhuǎn)子的螺旋槽轉(zhuǎn)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置時(shí)引起的波動(dòng)，時(shí)間間隔約為0.004 s。

圖10 試驗(yàn)過程中的采樣數(shù)據(jù)圖Figure 10 Sampling data in the process of experiment

當(dāng)空壓機(jī)的出口壓力到達(dá)0.8 MPa之后，空壓機(jī)進(jìn)入卸載狀態(tài)，進(jìn)氣口停止進(jìn)氣，采樣點(diǎn)處的壓力值落回0.008 MPa左右；待出口壓力值降至0.7 MPa時(shí)，空壓機(jī)又進(jìn)入加載狀態(tài)，使得出口壓力加壓至0.800 MPa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力值重新恢復(fù)到0.10～0.15 MPa，如此循環(huán)往復(fù)，如圖10中第1.0×105個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)后的幾次震蕩。

當(dāng)空壓機(jī)停機(jī)后，壓縮機(jī)先切換到卸載狀態(tài)，再停機(jī)。如圖10中，第1.4×105萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)處，壓力值從0.008 MPa瞬間增加到0.500 MPa，這是由于壓縮機(jī)停機(jī)后，卸載一段時(shí)間后就停機(jī)。停機(jī)時(shí)，儲(chǔ)氣罐中的氣體還未排空，于是回流到壓縮機(jī)內(nèi)部，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力值瞬間增加到0.500 MPa，隨著儲(chǔ)氣罐中的氣體排空，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力值慢慢回落到0.100 MPa，即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的狀態(tài)。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與流體仿真結(jié)果的對(duì)比

傳感器安裝的位置即為CFD仿真中的監(jiān)視點(diǎn)P1a，將仿真值與試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示，可以看到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)基本上與仿真值相匹配，壓力大小的波動(dòng)變化較一致，而且波動(dòng)周期也很一致，誤差的原因可能是傳感器的裝入對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的破壞以及CFD仿真中一些理想化的假設(shè)處理，整體上，最大誤差在5%左右，證明CFD仿真是可信、有效的。

圖11 壓縮機(jī)在各個(gè)狀態(tài)的采樣數(shù)據(jù)圖Figure 11 Sampling data diagram of the compressor in each state

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的仿真與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Figure 12 Comparison of simulation and experimental values at monitoring points

4 結(jié)論

通過對(duì)雙螺桿壓縮機(jī)CFD仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究了雙螺桿壓縮機(jī)流體域中的壓力變化，對(duì)比仿真分析中監(jiān)測(cè)點(diǎn)和試驗(yàn)中與之相對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)點(diǎn)的壓力值隨時(shí)間的變化情況，得到試驗(yàn)采集值與仿真值在壓力大小和波動(dòng)周期方面整體上具有較好的一致性。由此可得，對(duì)雙螺桿壓縮機(jī)的CFD分析可以較好地反映氣體壓縮的過程，為進(jìn)一步探究雙螺桿壓縮機(jī)工作過程中的其他特性提供了一種有效的方法。