胡余生,徐 瑞,黃艷芬,楊國(guó)蟒

(1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海 519070;2.北京?；萍及l(fā)展有限公司，北京 100191；3.國(guó)家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，廣東珠海 519070)

應(yīng)用技術(shù)

基于CFD方法的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)性能分析

胡余生1,徐 瑞2,黃艷芬2,楊國(guó)蟒3

(1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海 519070;2.北京?；萍及l(fā)展有限公司，北京 100191；3.國(guó)家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，廣東珠海 519070)

采用專(zhuān)業(yè)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械CFD仿真軟件PumpLinx對(duì)包含壓縮腔、氣動(dòng)閥門(mén)在內(nèi)的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)整機(jī)進(jìn)行了瞬態(tài)仿真分析，通過(guò)軟件內(nèi)置的轉(zhuǎn)子模塊和閥門(mén)模塊快速實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)整機(jī)的網(wǎng)格劃分和動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置。通過(guò)仿真獲得了壓縮機(jī)流量、溫度、COP、壓力以及閥門(mén)運(yùn)動(dòng)情況，并將出口流量和溫度與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，吻合良好,為滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的整機(jī)性能預(yù)測(cè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī);PumpLinx;數(shù)值模擬

1 前言

滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)是回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的一種，它通過(guò)轉(zhuǎn)子與氣缸的偏心旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮腔的膨脹和壓縮過(guò)程，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)較大的壓力工況變化，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，現(xiàn)已廣泛使用在冰箱、家用空調(diào)和熱泵當(dāng)中。

從滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的研究?jī)?nèi)容來(lái)看，國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)主要還集中在工作腔內(nèi)的密封和排氣閥門(mén)對(duì)壓縮機(jī)效率、振動(dòng)、噪聲的影響上。馬國(guó)遠(yuǎn)等對(duì)壓縮機(jī)的內(nèi)部泄漏以及泄漏對(duì)性能的影響進(jìn)行了研究[1]，文航等通過(guò)試驗(yàn)曲線的方法探討了滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)容積效率的模擬問(wèn)題[2]?，F(xiàn)在隨著CFD仿真技術(shù)的發(fā)展，工程中越來(lái)越多的問(wèn)題得以被解決。到目前為止，很多學(xué)者利用仿真手段研究了壓縮機(jī)的整個(gè)工作過(guò)程，并取得了較好的仿真結(jié)果，獲得了壓縮機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特征，為壓縮機(jī)的性能改進(jìn)提供了重要的理論支撐[3,4]。

從對(duì)文獻(xiàn)的調(diào)研來(lái)看，現(xiàn)有主要研究方法是將轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮腔和氣動(dòng)閥門(mén)分開(kāi)進(jìn)行仿真，很少有文獻(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)整機(jī)進(jìn)行仿真分析。眾所周知，壓縮腔與氣動(dòng)閥門(mén)并不獨(dú)立，兩者相互影響，當(dāng)兩者匹配較好時(shí)，可以提高壓縮機(jī)效率、延長(zhǎng)閥門(mén)使用壽命以及降低壓縮機(jī)工作時(shí)的噪聲。本文基于PumpLinx仿真軟件采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)整機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)仿真，分析壓縮機(jī)腔室壓力變化以及排氣閥門(mén)的運(yùn)動(dòng)情況，為優(yōu)化壓縮機(jī)提供參考。

2 仿真方法

2.1 模型介紹

本文研究的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)模型如圖1所示，該模型主要由氣缸、轉(zhuǎn)子、滑片、彈簧、排氣閥及偏心轉(zhuǎn)軸等組成。制冷劑從壓縮機(jī)進(jìn)口流入，在壓縮腔內(nèi)被壓縮升壓，當(dāng)達(dá)到排氣壓力后，制冷劑沖開(kāi)排氣閥門(mén)流向出口。

圖1 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)的流動(dòng)滿(mǎn)足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

能量方程：

(3)

式中ρ——密度，kg/m3cp——比熱容，J/(kg·K)u——速度，m/sμ——粘度，Pa·sT——溫度，KPr——普朗特?cái)?shù)wsQs——源項(xiàng)

2.3 網(wǎng)格劃分和動(dòng)網(wǎng)格控制

根據(jù)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)特點(diǎn)，可將壓縮機(jī)流體域分成4個(gè)部分：進(jìn)口區(qū)域、轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域、閥門(mén)區(qū)域和出口區(qū)域，其中轉(zhuǎn)子區(qū)域和閥門(mén)區(qū)域采用軟件內(nèi)嵌模板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，進(jìn)出口區(qū)域采用軟件general mesher模塊生成笛卡爾網(wǎng)格，各部分網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)網(wǎng)格劃分

對(duì)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的瞬態(tài)仿真分析，本文采用了專(zhuān)業(yè)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械CFD仿真軟件PumpLinx，該軟件內(nèi)嵌了滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的模板，通過(guò)模板可輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮腔的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并可在仿真過(guò)程中控制網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)軟件還具有閥門(mén)模板，可實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的流固耦合仿真，閥門(mén)的打開(kāi)角度受流體壓力、閥片剛度等參數(shù)控制。

2.4 計(jì)算方法和邊界條件

PumpLinx軟件基于有限體積法求解控制方程，速度-壓力耦合方式選擇SimpleS算法，該算法在Simple算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，具有更好的收斂性和穩(wěn)定性，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。本文輸送介質(zhì)為R410A，仿真時(shí)采用真實(shí)氣體模型，氣體物性數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院。并考慮傳熱，給定吸氣管和氣缸壁面恒定溫度。

滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，在仿真時(shí)，進(jìn)出口邊界給定壓力邊界條件，并指定溫度。另外在仿真過(guò)程中還考慮閥門(mén)的運(yùn)動(dòng)，閥門(mén)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 排氣閥

真實(shí)情況中，閥門(mén)在排氣壓力的作用下，以懸臂梁的彎曲形式打開(kāi)，如圖4所示。

圖4 懸臂梁彎曲

本文對(duì)閥門(mén)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化[5～10]，將閥門(mén)彎曲變形以閥門(mén)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)代替，如圖5所示。簡(jiǎn)化后，閥門(mén)在流通通道中心線位置的打開(kāi)距離保持不變。

圖5 閥門(mén)旋轉(zhuǎn)和彎曲對(duì)比

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

本文對(duì)壓縮機(jī)的變頻工況進(jìn)行了仿真分析，圖6給出了不同頻率下壓縮機(jī)的出口質(zhì)量流量與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比曲線。

圖6 出口流量對(duì)比曲線

從圖中可以看出，壓縮機(jī)出口流量隨著轉(zhuǎn)子頻率的增加而增加，軟件仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，誤差在2.83%以?xún)?nèi)。

壓縮機(jī)出口溫度對(duì)比曲線如圖7所示，仿真結(jié)果顯示，隨著轉(zhuǎn)子頻率的增加，出口溫度逐漸增加，這是由于過(guò)壓縮程度變大，耗功增加所導(dǎo)致。仿真結(jié)果的溫度增加幅度要略小于試驗(yàn)結(jié)果，這是由于隨著轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)發(fā)熱量急劇增大，在仿真過(guò)程中并沒(méi)有考慮這部分熱量對(duì)氣體的作用。而在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，仿真結(jié)果大于試驗(yàn)值，最大誤差為2%。在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，壓縮機(jī)向外界散熱占主要部分，溫度會(huì)降低。

圖7 出口溫度對(duì)比曲線

3.2 仿真結(jié)果分析

為了衡量壓縮機(jī)的效率，本文給出了壓縮機(jī)COP隨壓縮機(jī)頻率的變化曲線，如圖8所示。

從曲線走勢(shì)可以看出，壓縮機(jī)COP隨頻率先增大后減少。當(dāng)頻率較大時(shí)，壓縮機(jī)過(guò)壓縮程度增加，耗功增加，當(dāng)頻率較小時(shí)，壓縮機(jī)泄漏損失增加，也會(huì)降低壓縮機(jī)的COP。本文仿真的壓縮機(jī)COP最高點(diǎn)發(fā)生在70 Hz頻率處，最大值為3.72。

圖8 壓縮機(jī)COP隨頻率變化

圖9給出了在一個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，不同時(shí)刻壓縮機(jī)內(nèi)的壓力分布情況，其中θ=0°(360°)為滑片最大收縮狀態(tài)，此時(shí)吸氣、壓縮、排氣結(jié)束，同時(shí)又一次循環(huán)開(kāi)始。余隙容積內(nèi)的高壓氣體向吸氣腔的流動(dòng)尚未結(jié)束，造成月牙腔的壓力較吸氣管高，高壓氣流與來(lái)自入口方向的流體沖突，阻礙了吸氣腔氣體的流動(dòng)，甚至造成了回流，圖10為30 Hz下入口流量曲線，從圖中可以看出有短時(shí)間的回流現(xiàn)象，會(huì)造成容積效率的下降，在有些文獻(xiàn)中利用吸氣管進(jìn)行增壓，可以再回流時(shí)提供一個(gè)相反的壓力來(lái)對(duì)沖回流氣體，從而提高容積效率，甚至可以超過(guò)100%。θ=90°時(shí)吸氣腔壓力降低，處于大量吸氣過(guò)程，腔內(nèi)壓力上升至正常吸氣壓力。壓縮腔的壓力開(kāi)始升高，壓縮腔與余隙腔有質(zhì)量交換，以保持兩腔壓力相等。在θ=180°時(shí)，氣體繼續(xù)被壓縮，如果工況較輕此時(shí)排氣閥片可以打開(kāi)，本文中工況較重，排氣口處的壓力還未達(dá)到排氣壓力，排氣閥片處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)θ=270°時(shí)，壓縮腔內(nèi)壓力與出口壓力一致，排氣閥門(mén)打開(kāi)，氣體克服流動(dòng)阻力進(jìn)行排氣。圖10出口流量曲線顯示在排氣的一瞬間有一個(gè)流量峰值，然后處于波動(dòng)狀體，這是由于壓縮腔的過(guò)壓縮所致，流量波動(dòng)時(shí)閥片波動(dòng)造成的結(jié)果。

圖9 不同時(shí)刻壓縮機(jī)壓力分布

(a) 入口流量曲線

(b) 出口流量曲線

圖10 30 Hz下進(jìn)出口流量曲線

圖11給出了壓縮機(jī)不同時(shí)刻的溫度分布，計(jì)算給定邊界為絕熱邊界，從圖中可以看出，從θ=0°到θ=270°時(shí)，吸氣腔內(nèi)溫度不斷上升。因?yàn)閴嚎s機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)受到吸氣管和氣缸壁面的加熱溫度升高，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)容積效率的下降。在某一時(shí)刻，壓縮腔內(nèi)溫度分布并不均勻，靠近排氣閥位置的氣體溫度較高。在兩處接觸間隙位置附近，由于泄漏的原因，壓縮腔內(nèi)的氣體溫度降低，而吸氣腔的氣體溫度上升。

圖11 不同時(shí)刻壓縮機(jī)溫度分布

為了監(jiān)測(cè)壓縮腔的壓力，本文在壓縮腔和排氣閥門(mén)之間的連接區(qū)域設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置和監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力隨轉(zhuǎn)子角度的變化曲線如圖12和圖13所示。從圖13中可以看出，在一個(gè)周期內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)曲線可分為壓縮、排氣和膨脹3個(gè)階段。在壓縮階段，監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力成指數(shù)形式增長(zhǎng)，壓縮終了氣體最高壓力為3.528 MPa，角度為220.94°。在排氣階段，監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力曲線較為平坦，壓力變化不大。在膨脹階段，氣體壓力驟降，在很小的一個(gè)角度內(nèi)，從排氣壓力降到吸氣壓力。

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力隨角度的變化曲線

壓縮機(jī)排氣閥門(mén)的運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)壓縮機(jī)效率和噪聲產(chǎn)生影響，圖14給出了排氣閥門(mén)無(wú)量綱升程隨角度的變化曲線，其中無(wú)量綱升程為閥門(mén)升程與最大升程之比。從圖中可以看出，閥門(mén)開(kāi)啟位置的角度為214.64°，與壓縮腔氣體最大壓力位置(θ=220.94°)存在一定的角度差，這是由于在閥門(mén)剛開(kāi)啟時(shí)，排氣角度較小，氣體不能及時(shí)排出所致。在閥門(mén)打開(kāi)后，閥門(mén)在較小角度內(nèi)升到最大升程，開(kāi)啟過(guò)程較為迅速。當(dāng)排氣量減少時(shí)，閥門(mén)開(kāi)始關(guān)閉，但關(guān)閉過(guò)程較為緩慢。

圖14 排氣閥門(mén)升程隨角度的變化曲線

4 結(jié)論

(1)PumpLinx軟件通過(guò)內(nèi)置模板可以方便快捷的實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)網(wǎng)格劃分和動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置，可以同時(shí)考慮壓縮腔和閥門(mén)的相互影響，能夠很好的對(duì)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)整機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析。

(2)仿真得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，流量最大誤差為2.83%，出口溫度與試驗(yàn)結(jié)果誤差最大為2%，這主要是由于仿真過(guò)程中沒(méi)有考慮機(jī)器的散熱以及電機(jī)的生熱對(duì)氣體的影響。同時(shí)仿真結(jié)果誤差較小，說(shuō)明本文對(duì)閥門(mén)的簡(jiǎn)化處理方式是合理的。

(3)通過(guò)仿真可以得到壓縮機(jī)內(nèi)部的壓力、溫度分布以及閥門(mén)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，了解滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的工作情況。對(duì)這些結(jié)果進(jìn)一步分析，可以為滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

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Transient Analysis of Rolling Piston Compressor by CFD Method

HU Yu-sheng1,XU Rui2,HUANG Yan-fen2,YANG Guo-mang1

(1.State Key Laboratory of Air-conditioning Equipment and System Energy Conservation,Zhuhai 519070,China;2.Beijing Hi-key Technology Co.,Ltd.,Beijing 100191,China;3.Chinese National Engineering Research Center of Green Refrigeration Equipment,Zhuhai 519070,China)

The rolling piston was studied in this paper using transient simulation analysis based on the PumpLinx which is professional tool in the field of rotating machinery.In order to solve the difficulty like generating mesh and controlling mesh movement,the rolling piston module and valve module in PumpLinx were used.From the simulation,mass flow rate,temperature,COP,pressure and valve movement can be obtained,of which the mass flow rate and temperature fit the experimental data well.The method introduced in this paper will be appropriate for performance prediction and optimization of the rolling piston compressor.

rolling piston compressor;PumpLinx;numerical simulation

1005-0329(2017)01-0038-05

2016-01-29

2016-03-29

TH45

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.001

胡余生(1978-)，男，高級(jí)工程師，主要從事制冷壓縮機(jī)及電機(jī)技術(shù)研究，通訊地址：519070 廣東珠海市前山金雞西路789號(hào)珠海格力電器股份有限公司機(jī)電院,E-mail:jidianyihao@163.com。