韓 恪 于 越 宋 超 鮑懷謙

往復式制冷壓縮機氣缸內流場特性仿真分析

韓 恪 于 越 宋 超 鮑懷謙

（山東科技大學 青島 266590）

往復式壓縮機是依靠曲柄的旋轉帶動活塞的往復運動，通過改變工作容積，來實現(xiàn)提高氣體壓力的目的。通過建立往復式制冷壓縮機氣缸的三維模型，利用CFD仿真軟件實現(xiàn)對氣缸工作過程的數(shù)值模擬，分析氣缸內流場特性包括壓力、速度等參數(shù)隨曲柄轉角的變化情況，為優(yōu)化壓縮機性能提供了依據(jù)。

往復式壓縮機；數(shù)值模擬；網(wǎng)格劃分；流場特性

0 引言

往復式壓縮機廣泛應用于中小型制冷裝置中。壓縮機作為制冷系統(tǒng)的心臟，其運作是通過電機的轉動，帶動活塞的往復移動，實現(xiàn)對氣缸內的氣體進行吸入、壓縮與輸送。氣體在氣缸內的運動所形成的流場，對壓縮機的效率產生重要影響。隨著數(shù)值計算技術的飛速發(fā)展，運用CFD（Computational Fluid Dynamics）技術模擬流場情況的方法得到廣泛應用。它通過求解流體流動的微分方程，得 到流場的離散分布，進而模擬得到流體的流動情況[1]。

國內外一些學者對壓縮機工作過程中氣缸內流場開展了一系列研究。趙斌等通過分別建立吸排氣氣缸模型，進行數(shù)值模擬，求得吸排氣階段氣缸內氣體的壓力場、溫度場[2]；謝軼男等構建了整個氣缸的模型，運用Fluent軟件，實現(xiàn)對氣缸的工作過程模擬，得到了氣流在氣缸內的流場變化過程[3]；黨國棟等基于Matalab對往復式壓縮機工作狀態(tài)進行數(shù)值模擬，簡化分析壓縮機慣性力的計算過程，提高了校驗效率[4]。本文基于Fluent軟件對往復式制冷壓縮機進行了工作過程模擬，分析了氣缸內流體的壓力、速度等參數(shù)變化，為氣缸的優(yōu)化設計提供了依據(jù)。

1 氣缸模型的建立

氣缸是往復式壓縮機中最核心的部分，通過調節(jié)曲軸轉速、改變設計直徑等方法，可以滿足不同的壓力、排氣量和工質的要求。通過活塞在氣缸中作往復運動來實現(xiàn)氣缸內介質的膨脹、吸氣、壓縮、排氣4個過程，進而實現(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作為模型，以某型號往復式制冷壓縮機為研究對象，建立流場三維模型。該型號壓機最高轉速為2000rmp，工質為R600a，標準工況環(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 壓縮機基本參數(shù)

運用三維軟件建立的氣缸實體模型，如圖1所示。

圖1 氣缸三維模型圖

2 控制方程

質量守恒方程：

動量守恒方程：

湍流方程：在流體的流動過程中，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 氣缸內流場網(wǎng)格劃分與條件設置

對氣缸內流場進行模擬，實際是對控制方程進行求解。一般采用網(wǎng)格劃分的形式，對離散方程組進行求解，從而對整個空間區(qū)域進行控制方程的推算。因此，在對氣缸進行數(shù)值模擬計算之前，需要對三維模型進行網(wǎng)格劃分。本文是采用ICEM軟件對模型進行網(wǎng)格劃分。

為保證計算精度及結果收斂，將模型進行分塊劃分網(wǎng)格，分為氣缸下部、氣缸上部、進氣、排氣四個部分。在氣缸的上部，即閥門的開啟與閉合處，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 氣缸流場的網(wǎng)格劃分

（1）經(jīng)過吸、排氣閥時，氣流均勻；

（2）忽略氣閥對氣流的阻礙作用；

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

采用Fluent求解器對流場進行數(shù)值模擬，用有限容積法來控制方程離散網(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格式，湍流脈動能量和湍流耗散率也采用二階迎風格式，其他參數(shù)采用默認值。

邊界條件設置為：

（1）進口邊界：進氣腔空氣溫度300K、空氣絕對壓力1bar，空氣以垂直于進氣閥閥片方向進入氣缸，空氣在入口處的湍流強度為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）壁面是絕熱的且無滑移壁面。

4 仿真結果與分析

分別對吸排氣過程中氣缸內的壓力和速度變化情況進行了仿真分析，圖3為吸、排氣階段壓力云圖，圖4為吸、排氣階段速度場分布圖。

由圖3可以看出，排氣階段氣缸內壓力變化并不均勻，靠近活塞的底端，壓力最大，隨著曲柄的旋轉，最大靜壓逐步向氣缸底部增加，最終當運動到下止點，壓力達到最大。吸氣階段時曲柄從下止點向上止點運動，同樣可以從壓力云圖可以看出，氣缸內最大靜壓，隨著曲柄的旋轉，壓力是逐漸減小的。

圖4是選擇氣缸的中間截面來分析，通過速度流場分布來了解氣缸內流場特性。在排期初期階段，活塞開始運動，靠近活塞壁面的流體開始運動，隨著活塞慢慢向下推動，氣缸內流體速度逐步增大，當活塞運動到下止點時，在排氣末期，氣缸在兩側行程對稱的渦旋。同樣在吸氣初期階段，氣缸內流場分布并不均勻，隨著活塞向上止點運動，氣缸內流場逐步均勻，同樣在吸氣的末期階段，在氣缸兩側出現(xiàn)一對對稱旋渦。

5 總結

（1）本文采用CFD流體仿真軟件對往復式壓縮機氣缸內的流場進行了模擬，得到隨曲柄轉角氣缸內壓力場、速度場等參數(shù)變化，為氣缸優(yōu)化設計提供了參考依據(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啟與閉合，對氣缸內流場特性的影響。

[1] 韓占忠.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2004.

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

[3] 謝軼男,李輝,趙賀嘉,等.往復壓縮機動態(tài)壓力仿真及瞬態(tài)流場分析[J].機械設計與制造,2015,(4):52-54,58.

[4] 黨國棟,吳偉,馬廣志.基于MATLAB的往復式壓縮機的運動研究[J].機械研究與應用,2018,31(1):64-66.

[5] 郭鵬,段雪濤,賀滔,童治文.活塞壓縮機缸內熱力過程CFD仿真[J].低溫與超導,2014,42(7):64-67,86.

[6] 唐家鵬.FLUENT14.0超級學習手冊[M].北京:人民郵電出版社,2013.

[7] 吳業(yè)正.往復式壓縮機數(shù)學模型及應用[M].西安:西安交通大學出版社,1989.

[8] 陳偉,張凌.粘性依賴于密度的一維流體力學方程[J].龍巖學院學報,2007,(6):29-32.

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 ?。?999.04-），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