动网格在涡旋压缩机三维流场数值模拟中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南昌大学 作者:肖根福

  基于局部弹性变形与网格重划的CFD 动网格技术,对涡旋空气压缩机动态内流场进行了数值模拟。该模拟以理想气体为工作介质,满足流体控制方程及气体状态方程,湍流模型采用RNG k - ε 模型,用壁面函数法描述近壁区流动。数值计算的结果表明,涡旋压缩机内部流场随时间周期变化,涡旋压缩机内存在旋涡生成、运动等现象。该计算非常形象地揭示了涡旋压缩机内部流动规律,为涡旋压缩机的优化设计提供了理论参考。

1、引言

  涡旋式压缩机体积小、效率高、噪声低,目前在空调领域已具有强大的竞争力。涡旋压缩机的流动传热过程非常复杂,许多学者为此做了大量的工作,对各热力过程进行了能量分析并建立压缩机的数学模型。但这些理论模型受各自简化假设的局限,较难满足涡旋压缩机流场的一般规律。随着计算机技术的快速发展,运用计算流体力学( CFD) 开展研究具有周期短、信息完整、可视化程度高等优点,可同时获得相关变量的详细信息,揭示潜在的物理过程。

  在容积式旋转压缩机领域,CFD 计算取得了一定的成果,黄思、岳向吉等将动网格技术应用在滚动转子压缩机瞬态流动的分析上,给出了直观、丰富的流场信息; 马一太等用Fluent 软件的动网格技术,模拟了滚动转子膨胀机的瞬态流场; 耿玮等利用STAR-CD 软件模拟了滚动转子压缩机内部流场,找到了提高了压缩机整体效率的方法。伦敦城市大学的Kovacevic 等详细研究了螺杆压缩机压缩腔的网格生成技术,使用CFD 软件计算得到了螺杆压缩机压缩腔的三维流动参数。

  在涡旋压缩机领域,CFD 的应用很少,国内只有李超等将CFD 技术用于分析不同涡旋型线的内部流场,但其只简单分析了一个月形压缩腔的内部流场,没有使用动网格技术全面分析动态压缩过程。国外研究者已经开始研究,但研究者的人数不多,得到的结论没有被充分验证。S.Pietrowicz 等利用商业数学软件解N-S 方程对涡旋压缩机单个压缩腔作了二维的模拟仿真,Ooi 用二维的数值模型仿真了涡旋压缩机内部流场,分析了流体与涡旋齿的热传导系数取值问题。

  本文将CFD 的动网格技术应用在涡旋压缩机流场的动态数值模拟中,详细阐述了CFD 动网格技术应用于涡旋压缩机流场仿真的实现方法,全面展示了涡旋压缩机旋转过程中的流场变化,为涡旋压缩机优化设计及应用提供重要参考。

2、理论模型

  2.1、物理模型

  本文所采用的涡旋压缩机容积腔的轴向投影如图1 所示。

涡旋压缩机月形压缩腔

图1 涡旋压缩机月形压缩腔

  当偏心轴推动动涡盘绕静涡盘中心作圆周运动时,封闭的容积腔相应地扩大或缩小,由此实现气体的吸入、压缩和排气。低压气体从静涡盘上开设的吸气孔口经压缩后由静涡盘中心处的排气孔排出。

  该涡旋压缩机基圆半径a = 3. 1mm,涡旋齿厚t = 4. 4mm,涡圈中心线最终展开角为810°,涡旋齿采用对称圆弧修正,排气孔为圆形,直径为4. 5mm,动涡盘转速2800r /min。

3、求解方法

  3.1、网格划分

  从压缩机CAD 模型中提取流体域作为计算域,为了便于计算,涡旋压缩机形状和排气管都作了一定简化,网格划分在ICEM CFD 软件中完成,大约有网格单元14 万,如图2( a) 所示。涡旋压缩机计算域由压缩机和排气管两部分组成,压缩机由棱柱体网格组成,压缩机排气管由六面体网格组成,两个计算域由交界面( interface) 连接在一起。交界面( interface) 保证了动盘运动到排气管之后不会产生网格计算错误。图2( b) 为涡旋压缩机侧面剖视。图2( c) 为涡旋压缩机网格正视,由图可见,涡旋压缩机网格从正面看为三角形网格,经过纵向拉伸以后变换为棱柱型网格,该网格保证了弹簧光顺与局部重划动网格方法的应用。

压缩机网格

图2 压缩机网格

结语

  建立了涡旋压缩机的三维流场仿真模型,用2. 5D 动网格技术解决了涡旋盘运动的问题,确定了简单合理的边界条件,利用RNG k - ε 湍流模型实现了涡旋压缩机动态流场的数值模拟。给出了直观、丰富的流场信息,可观测到旋涡的生成、运动、破裂的过程,这是理论模型分析和实验研究所无法比拟的。这些结果为进一步的涡旋压缩机研究打下了良好基础,为分析涡旋压缩机等流体机械内部复杂的湍流流场提供了一种新的手段。

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