往復(fù)式制冷壓縮機(jī)氣缸內(nèi)流場(chǎng)特性仿真分析

韓 恪 于 越 宋 超 鮑懷謙

往復(fù)式制冷壓縮機(jī)氣缸內(nèi)流場(chǎng)特性仿真分析

韓 恪 于 越 宋 超 鮑懷謙

（山東科技大學(xué) 青島 266590）

往復(fù)式壓縮機(jī)是依靠曲柄的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)改變工作容積，來(lái)實(shí)現(xiàn)提高氣體壓力的目的。通過(guò)建立往復(fù)式制冷壓縮機(jī)氣缸的三維模型，利用CFD仿真軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸工作過(guò)程的數(shù)值模擬，分析氣缸內(nèi)流場(chǎng)特性包括壓力、速度等參數(shù)隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化情況，為優(yōu)化壓縮機(jī)性能提供了依據(jù)。

往復(fù)式壓縮機(jī)；數(shù)值模擬；網(wǎng)格劃分；流場(chǎng)特性

0 引言

往復(fù)式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于中小型制冷裝置中。壓縮機(jī)作為制冷系統(tǒng)的心臟，其運(yùn)作是通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞的往復(fù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸內(nèi)的氣體進(jìn)行吸入、壓縮與輸送。氣體在氣缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)所形成的流場(chǎng)，對(duì)壓縮機(jī)的效率產(chǎn)生重要影響。隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，運(yùn)用CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)模擬流場(chǎng)情況的方法得到廣泛應(yīng)用。它通過(guò)求解流體流動(dòng)的微分方程，得 到流場(chǎng)的離散分布，進(jìn)而模擬得到流體的流動(dòng)情況[1]。

國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)壓縮機(jī)工作過(guò)程中氣缸內(nèi)流場(chǎng)開(kāi)展了一系列研究。趙斌等通過(guò)分別建立吸排氣氣缸模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，求得吸排氣階段氣缸內(nèi)氣體的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)[2]；謝軼男等構(gòu)建了整個(gè)氣缸的模型，運(yùn)用Fluent軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸的工作過(guò)程模擬，得到了氣流在氣缸內(nèi)的流場(chǎng)變化過(guò)程[3]；黨國(guó)棟等基于Matalab對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，簡(jiǎn)化分析壓縮機(jī)慣性力的計(jì)算過(guò)程，提高了校驗(yàn)效率[4]。本文基于Fluent軟件對(duì)往復(fù)式制冷壓縮機(jī)進(jìn)行了工作過(guò)程模擬，分析了氣缸內(nèi)流體的壓力、速度等參數(shù)變化，為氣缸的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 氣缸模型的建立

氣缸是往復(fù)式壓縮機(jī)中最核心的部分，通過(guò)調(diào)節(jié)曲軸轉(zhuǎn)速、改變?cè)O(shè)計(jì)直徑等方法，可以滿足不同的壓力、排氣量和工質(zhì)的要求。通過(guò)活塞在氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)氣缸內(nèi)介質(zhì)的膨脹、吸氣、壓縮、排氣4個(gè)過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣體的吸入、壓縮和輸送。

本文是以某全封閉活塞式冰箱壓縮機(jī)作為模型，以某型號(hào)往復(fù)式制冷壓縮機(jī)為研究對(duì)象，建立流場(chǎng)三維模型。該型號(hào)壓機(jī)最高轉(zhuǎn)速為2000rmp，工質(zhì)為R600a，標(biāo)準(zhǔn)工況環(huán)境溫度32.2℃，蒸發(fā)溫度-23.3℃，冷凝溫度54.4℃，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 壓縮機(jī)基本參數(shù)

運(yùn)用三維軟件建立的氣缸實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 氣缸三維模型圖

2 控制方程

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

湍流方程：在流體的流動(dòng)過(guò)程中，增加的總能量就是受到的表面作用力和體積力所做的功加上流入微元體的熱流量方程。

3 氣缸內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格劃分與條件設(shè)置

對(duì)氣缸內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，實(shí)際是對(duì)控制方程進(jìn)行求解。一般采用網(wǎng)格劃分的形式，對(duì)離散方程組進(jìn)行求解，從而對(duì)整個(gè)空間區(qū)域進(jìn)行控制方程的推算。因此，在對(duì)氣缸進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算之前，需要對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文是采用ICEM軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

為保證計(jì)算精度及結(jié)果收斂，將模型進(jìn)行分塊劃分網(wǎng)格，分為氣缸下部、氣缸上部、進(jìn)氣、排氣四個(gè)部分。在氣缸的上部，即閥門的開(kāi)啟與閉合處，采用四面體網(wǎng)格，其余氣缸下部、吸氣通道、排氣通道采用六面體網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 氣缸流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分

（1）經(jīng)過(guò)吸、排氣閥時(shí)，氣流均勻；

（2）忽略氣閥對(duì)氣流的阻礙作用；

（3）吸氣時(shí)，氣室壓力為吸氣通道內(nèi)的壓力，近似為P；排氣時(shí)，環(huán)境壓力為排氣通道內(nèi)的壓力，近似為P。

采用Fluent求解器對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，用有限容積法來(lái)控制方程離散網(wǎng)格的分離，壓力-速度的耦合求解采用SIMPLE方法。在微分離散格式中，梯度選擇Green-Gauss Cell Based，壓力采用PRESTO格式。離散格式采用二階迎風(fēng)格式，湍流脈動(dòng)能量和湍流耗散率也采用二階迎風(fēng)格式，其他參數(shù)采用默認(rèn)值。

邊界條件設(shè)置為：

（1）進(jìn)口邊界：進(jìn)氣腔空氣溫度300K、空氣絕對(duì)壓力1bar，空氣以垂直于進(jìn)氣閥閥片方向進(jìn)入氣缸，空氣在入口處的湍流強(qiáng)度為5%，湍流粘度比為10。

（2）出口邊界：排氣腔空氣溫度410K、壓力3bar。

（3）壁面是絕熱的且無(wú)滑移壁面。

4 仿真結(jié)果與分析

分別對(duì)吸排氣過(guò)程中氣缸內(nèi)的壓力和速度變化情況進(jìn)行了仿真分析，圖3為吸、排氣階段壓力云圖，圖4為吸、排氣階段速度場(chǎng)分布圖。

由圖3可以看出，排氣階段氣缸內(nèi)壓力變化并不均勻，靠近活塞的底端，壓力最大，隨著曲柄的旋轉(zhuǎn)，最大靜壓逐步向氣缸底部增加，最終當(dāng)運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)，壓力達(dá)到最大。吸氣階段時(shí)曲柄從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，同樣可以從壓力云圖可以看出，氣缸內(nèi)最大靜壓，隨著曲柄的旋轉(zhuǎn)，壓力是逐漸減小的。

圖4是選擇氣缸的中間截面來(lái)分析，通過(guò)速度流場(chǎng)分布來(lái)了解氣缸內(nèi)流場(chǎng)特性。在排期初期階段，活塞開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，靠近活塞壁面的流體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，隨著活塞慢慢向下推動(dòng)，氣缸內(nèi)流體速度逐步增大，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，在排氣末期，氣缸在兩側(cè)行程對(duì)稱的渦旋。同樣在吸氣初期階段，氣缸內(nèi)流場(chǎng)分布并不均勻，隨著活塞向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)流場(chǎng)逐步均勻，同樣在吸氣的末期階段，在氣缸兩側(cè)出現(xiàn)一對(duì)對(duì)稱旋渦。

5 總結(jié)

（1）本文采用CFD流體仿真軟件對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)氣缸內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，得到隨曲柄轉(zhuǎn)角氣缸內(nèi)壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)等參數(shù)變化，為氣缸優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

（2）本文還有一些不足之處，未考慮吸排氣閥的影響，在今后的工作需要加上閥片的開(kāi)啟與閉合，對(duì)氣缸內(nèi)流場(chǎng)特性的影響。

[1] 韓占忠.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.

[2] 趙斌,孫鐵.活塞壓縮機(jī)氣缸內(nèi)氣體的數(shù)值模擬[J].壓縮機(jī)技術(shù),2007,(4):10-12,15.

[3] 謝軼男,李輝,趙賀嘉,等.往復(fù)壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)壓力仿真及瞬態(tài)流場(chǎng)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015,(4):52-54,58.

[4] 黨國(guó)棟,吳偉,馬廣志.基于MATLAB的往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2018,31(1):64-66.

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[7] 吳業(yè)正.往復(fù)式壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1989.

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Simulation Analysis on Flow Field Characteristics of Reciprocating Compressor in Cylinder

Han Ke Yu Yue Song Chao Bao Huaiqian

( Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266590 )

Reciprocating compressors rely on the rotation of the crank to drive the reciprocating motion of the piston and achieve the purpose of increasing gas pressure by changing the working volume. In this paper, the three-dimensional model of the compressor cylinder is set up, and the dynamic grid parameters in the CFD simulation software are set up to realize the numerical simulation of the working process of the cylinder. The characteristics of the gas flow field in the cylinder are analyzed, including the variation of temperature, pressure and speed with the crank angle. The theoretical basis is proposed to optimize the performance of the compressor.

reciprocating compressor; numerical simulation; meshing; flow field characteristics

TB652

A

1671-6612（2020）04-442-04

韓 恪（1999.04-），男，在讀本科生，E-mail：sdust_hk@126.com

鮑懷謙（1977.07-），男，博士，副教授，E-mail：bhqian@163.com

2020-02-28