基于CFD動(dòng)網(wǎng)格的渦旋膨脹機(jī)工作腔內(nèi)部流場(chǎng)模擬分析

張建立 鄒辰辰

1.天津理工大學(xué)天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300384；2.機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(天津理工大學(xué)) 天津 300384

渦旋膨脹機(jī)是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲低、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)的渦旋機(jī)械[2]。最近幾年有機(jī)朗肯循環(huán)低溫回收技術(shù)得到廣泛的利用，渦旋膨脹機(jī)的運(yùn)行特性及性能優(yōu)化是研究的熱點(diǎn)，許多學(xué)者分別從理論模型、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方面做了大量研究工作[3-5]。但是受模型的局限性及實(shí)驗(yàn)條件的限制，較難得到渦旋膨脹機(jī)腔內(nèi)流動(dòng)特性，而腔內(nèi)流動(dòng)特性又是影響膨脹機(jī)性能的關(guān)鍵因素。因此，必須開展渦旋膨脹機(jī)腔內(nèi)部流動(dòng)特性研究工作。

隨著CFD技術(shù)的高速發(fā)展，特別是動(dòng)網(wǎng)格術(shù)的應(yīng)用，為渦旋膨脹機(jī)腔內(nèi)流動(dòng)特性的研究提供了可能。然而，由于渦旋設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊性及結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)計(jì)算的復(fù)雜性，相關(guān)流場(chǎng)模擬的報(bào)道相對(duì)較少，楊興華等人[6]建立渦旋膨脹機(jī)內(nèi)部工作腔的二維模型，開展了內(nèi)部流場(chǎng)非定常流動(dòng)特性分析，指出腔內(nèi)速度及壓力分布存在不均勻性。SongPanpan等人[7]建立三維渦旋膨脹機(jī)CFD模擬，指出中心膨脹腔內(nèi)存在大量旋流，對(duì)膨脹機(jī)的輸出扭矩有影響。

本文結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)完成了渦旋膨脹機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的三維CFD動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，較詳細(xì)地闡述了其實(shí)現(xiàn)過(guò)程，分析了渦旋膨脹機(jī)工作過(guò)程中腔內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)規(guī)律及動(dòng)力輸出特性，為渦旋膨脹機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

渦旋膨脹機(jī)內(nèi)工質(zhì)的工作過(guò)程是流動(dòng)及傳熱耦合的問題，涉及的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。

渦旋膨脹機(jī)渦旋盤的幾何參數(shù)表

如圖1表示模型包括模型為渦旋膨脹機(jī)的幾何模型，三維模型是通過(guò)在Solidworks軟件中由平面圖拉伸得到。

圖1 渦旋膨脹機(jī)的幾何模型

通過(guò)建立渦旋膨脹機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)控制方程，結(jié)合初始條件及邊界條件可以求得流場(chǎng)內(nèi)的溫度場(chǎng)以及壓力場(chǎng)等?；究刂品匠倘缦拢?/p>

1.1 連續(xù)性方程

(1)

式中，ρ和t分別表示密度和時(shí)間，ux、uy和uz分別是x，y，z三個(gè)方向的速度分量[8]。

1.2 動(dòng)量方程

動(dòng)量方程x，y，z三個(gè)方向的方程分別為:

(2)

(3)

(4)

式中，fx，fy，fz分別是x、y、z三個(gè)方向的單位質(zhì)量力，p為壓力τxx，τyx，τzx，τxy，τyy，τzy，τxz，τyz和τzz分別是黏性應(yīng)力τ的分量[8]。

1.3 能量方程

(5)

式中，h為焓，E為流體的動(dòng)能、勢(shì)能和內(nèi)能的總和，keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，Sh為體積熱源[8]。

2 求解方法

2.1 網(wǎng)格劃分

將渦旋膨脹機(jī)的幾何模型導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行劃分網(wǎng)格，腔體使用三棱柱進(jìn)行劃分網(wǎng)格，其余部分用四面體進(jìn)行劃分，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)際計(jì)算網(wǎng)格

2.2 動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置

將檢測(cè)過(guò)質(zhì)量較好的網(wǎng)格，導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行計(jì)算。由于渦旋膨脹機(jī)的流場(chǎng)形狀隨邊界的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，因此需要用到動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。編寫UDF文件定義動(dòng)渦盤的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將UDF文件導(dǎo)入Fluent中，動(dòng)渦盤的運(yùn)動(dòng)規(guī)律公式如下：

Vx=wRsin(wt)

(6)

Vy=-wRsin(wt)

(7)

2.3 邊界條件及模型設(shè)置

渦旋膨脹機(jī)的工作流體為R123，進(jìn)口的壓力為0.6MPa，溫度為350K，出口的壓力0.1MPa，溫度為200K，計(jì)算以瞬態(tài)工況進(jìn)行，由于動(dòng)盤做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生渦流，連續(xù)項(xiàng)殘差設(shè)置1e-06，其他項(xiàng)殘差設(shè)置1e-03，動(dòng)靜渦盤壁面為無(wú)滑移邊界條件，時(shí)間步長(zhǎng)為0.000001s。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 壓力場(chǎng)

由圖3可以看出，膨脹機(jī)在第一、第二腔中的壓力較大，第三、第四腔中較小。隨著膨脹腔的體積增大，壓力逐漸減小。

a=180

b=300°圖3 膨脹腔的壓力分布

3.2 溫度場(chǎng)

由圖4溫度場(chǎng)分布可知，膨脹機(jī)的第二膨脹腔的溫度最高，從第二工作腔到第四工作腔溫度不斷減小。膨脹機(jī)嚙合間隙溫度明顯減小，在同一工作腔溫度變化不明顯。

c=180°

d=300°圖4 膨脹腔溫度分布

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)Solidworks三維繪圖軟件建立出渦旋膨脹機(jī)的三維模型，并利用UDF定義了動(dòng)渦旋盤的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在Fluent軟件中使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，順利完成了渦旋膨脹機(jī)瞬態(tài)流場(chǎng)的仿真模擬。揭露了渦旋膨脹機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析了渦旋膨脹機(jī)的在運(yùn)動(dòng)中的壓力、溫度分布規(guī)律。