王小明，田青青，賀忠宇，熊國(guó)良，羅嗣驍，萬(wàn)長(zhǎng)標(biāo)

(1.華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013;2 .沈陽(yáng)鐵路局，沈陽(yáng) 110000)

0 引言

雙吸平衡式雙螺桿壓縮機(jī)［1］相比傳統(tǒng)螺桿壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)尺寸小;支撐件技術(shù)維護(hù)量少;無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng);機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低、振動(dòng)小以及原材料消耗少、制造成本低等特點(diǎn)，其各種技術(shù)特性值得深入研究。

為了真實(shí)地了解該機(jī)排氣系統(tǒng)各環(huán)節(jié)氣流的壓力、溫度的變化情況，對(duì)其排氣座進(jìn)行數(shù)值模擬是一種直觀、簡(jiǎn)便、有效的手段。本文首先利用CFD 的滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)雙吸平衡式雙螺桿壓縮機(jī)整機(jī)內(nèi)部工作過(guò)程進(jìn)行流場(chǎng)的數(shù)值模擬［2］，從中提取排氣座數(shù)值模擬的量值;并以不同的工況下，對(duì)壓縮機(jī)排氣座回流、渦流情況進(jìn)行對(duì)比分析。為螺桿壓縮機(jī)排氣座優(yōu)化設(shè)計(jì)以及工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)與范例，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 控制方程

1.1 流體運(yùn)動(dòng)的基本控制方程

流體運(yùn)動(dòng)要受到物理守恒定律的支配，即流動(dòng)要滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程，如式(1)～(3)所示［3］。

對(duì)于不可壓縮流體的連續(xù)方程的表達(dá)式為

對(duì)于不可壓縮不考慮流體黏性的情況下，其動(dòng)量守恒方程表達(dá)式為

將導(dǎo)熱系數(shù)看成常數(shù)，在無(wú)內(nèi)熱源且穩(wěn)態(tài)情況下。其能量守恒方程表達(dá)式為

式中u、v、w分別為速度沿x、y、z方向的速度矢量。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)κ － ε 模型方程

標(biāo)準(zhǔn)κ－ε 模型是半經(jīng)驗(yàn)公式，主要基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率，其基本方程如式(4)和(5)所示［4］。湍流動(dòng)能κ 方程:

湍動(dòng)能耗散率ε 方程:

式中μl為層流粘性系數(shù);μt是湍流流粘性系數(shù);Gk是由于層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;C1ε、C2ε、C3ε、σk以及σε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般取C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09、σk=1.0以及σε=1.3。

2 三維建模與網(wǎng)格劃分

為了真實(shí)模擬壓縮機(jī)排氣口回流、渦流情況，必須對(duì)雙吸平衡式螺桿壓縮機(jī)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，從整機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果中提取相關(guān)數(shù)據(jù)。由于雙吸平衡式螺桿壓縮機(jī)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接在ANSYS WORKBENCH 軟件中建模比較煩雜，本文利用PRO/E 強(qiáng)大的三維建模能力，將建好的模型直接以無(wú)縫連接方式導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH 中。在MESH 中設(shè)置接觸面，并定義網(wǎng)格類型為四面體單位、最小網(wǎng)格尺寸為2mm 進(jìn)行網(wǎng)格畫(huà)制，如圖1 所示。其中單元數(shù)為245076，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1231727。

圖1 螺桿壓縮機(jī)整機(jī)網(wǎng)格劃分圖

3 邊界條件

設(shè)置進(jìn)出口條件都為壓力進(jìn)出口，其中進(jìn)口壓力為0. 5Mpa，出 口 壓 力 分 別 有0. 8Mpa、1. 1Mpa、1.4Mpa、1.7Mpa 以及2.1Mpa 五種工況，并設(shè)置好相應(yīng)的回流溫度。

壁面是用來(lái)區(qū)分solid 與fluid 區(qū)域，其中陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的壁面設(shè)置為移動(dòng)壁面，分別設(shè)置好兩對(duì)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)軸的方向以及旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速［5-6］。除此之外，其它的壁面設(shè)置為靜止壁面。

4 結(jié)果分析

由于雙吸平衡式螺桿壓縮機(jī)兩側(cè)完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)特性，分析出來(lái)的兩邊排氣座模擬結(jié)果完全相似，與實(shí)際情況相符。下面以壓力出口1.4Mpa 為例，從中提取一側(cè)排氣座的壓力云圖、溫度云圖以及渦動(dòng)強(qiáng)度等多角度進(jìn)行分析［7-8］，如圖2 所示，可以清楚知道排氣座內(nèi)部壓力、溫度以及渦動(dòng)強(qiáng)度分布情況。

由圖2a、2b 壓力以及溫度云圖可知，雙吸平衡式螺桿壓縮機(jī)排氣座高壓以及高溫區(qū)分布在排氣座出口的兩側(cè)壁面，從圖2c 渦動(dòng)強(qiáng)度可以看出，排氣座的進(jìn)口，即螺桿壓縮機(jī)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的排氣口渦動(dòng)強(qiáng)度最大。

圖2 螺桿壓縮機(jī)排氣座的流動(dòng)特性

4.1 不同壓比下排氣座內(nèi)部回流、渦流分布情況

通過(guò)采用不同壓比下對(duì)螺桿壓縮機(jī)排氣座渦流、回流強(qiáng)度進(jìn)行了模擬［9-10］。如下圖3a、3b、3c、3d 以及3e 分別為螺桿壓縮機(jī)排出壓力為0. 8Mpa、1. 1Mpa、1.4Mpa、1.7Mpa 以及2.1Mpa 時(shí)的速度矢量圖。

圖3 螺桿壓縮機(jī)排氣座速度矢量圖

通過(guò)對(duì)由圖3 比較分析，得出不同的壓比與回流強(qiáng)度的關(guān)系，如圖4 所示。其中橫坐標(biāo)表示壓比，縱坐標(biāo)表示回流強(qiáng)度，從圖可以看出，回流強(qiáng)度隨著壓比的增大而增大，增大的比例隨著壓比的增大而減小。而螺桿壓縮機(jī)排氣座的渦流強(qiáng)度與回流略有不同，在開(kāi)始?jí)罕炔皇呛艽蟮那闆r下，渦流強(qiáng)度與壓比幾乎成正比關(guān)系，如果壓比過(guò)大，軟件將停止工作模擬，這時(shí)候只有回流，而渦流也就不存在。

圖4 不同壓比與回流強(qiáng)度關(guān)系圖

4.2 不同轉(zhuǎn)速螺桿壓縮機(jī)排氣座回流、渦流情況

螺桿壓縮機(jī)排氣座回流、渦流強(qiáng)度除了與壓比有關(guān)系外，還與陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)。通過(guò)設(shè)置排氣口壓力一定時(shí)，對(duì)陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為2000rpm、4000rpm 以及6000rpm 進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下回流強(qiáng)度圖

通過(guò)對(duì)不同轉(zhuǎn)速下回流強(qiáng)度圖進(jìn)行比較分析，得到了陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與排氣座回流強(qiáng)度的關(guān)系圖，如圖6 所示。

圖6 陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與排氣座回流強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖6 可知，壓力一定時(shí)，回流強(qiáng)度大約在210 -220m/s 之間，由此可知，排氣座的回流、渦流強(qiáng)度隨陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化不大。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)雙吸平衡式螺桿壓縮機(jī)排氣座的數(shù)值模擬，可以清楚的知道，在一定結(jié)構(gòu)參數(shù)下平衡式螺桿壓縮機(jī)排氣座的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及渦動(dòng)強(qiáng)度分布情況以及在不同工況下，對(duì)排氣座的回流以及渦流情況進(jìn)行具體的分析，得到排氣座回流情況與壓比以及陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

另外，螺桿壓縮機(jī)排氣座結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其排氣系統(tǒng)的回流、渦流情況有影響，由于篇幅原因，本文不再詳細(xì)介紹。

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