動網(wǎng)格在渦旋壓縮機三維流場數(shù)值模擬中的應(yīng)用

2014-03-20 肖根福 南昌大學(xué)

  基于局部彈性變形與網(wǎng)格重劃的CFD 動網(wǎng)格技術(shù),對渦旋空氣壓縮機動態(tài)內(nèi)流場進行了數(shù)值模擬。該模擬以理想氣體為工作介質(zhì),滿足流體控制方程及氣體狀態(tài)方程,湍流模型采用RNG k - ε 模型,用壁面函數(shù)法描述近壁區(qū)流動。數(shù)值計算的結(jié)果表明,渦旋壓縮機內(nèi)部流場隨時間周期變化,渦旋壓縮機內(nèi)存在旋渦生成、運動等現(xiàn)象。該計算非常形象地揭示了渦旋壓縮機內(nèi)部流動規(guī)律,為渦旋壓縮機的優(yōu)化設(shè)計提供了理論參考。

1、引言

  渦旋式壓縮機體積小、效率高、噪聲低,目前在空調(diào)領(lǐng)域已具有強大的競爭力。渦旋壓縮機的流動傳熱過程非常復(fù)雜,許多學(xué)者為此做了大量的工作,對各熱力過程進行了能量分析并建立壓縮機的數(shù)學(xué)模型。但這些理論模型受各自簡化假設(shè)的局限,較難滿足渦旋壓縮機流場的一般規(guī)律。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展,運用計算流體力學(xué)( CFD) 開展研究具有周期短、信息完整、可視化程度高等優(yōu)點,可同時獲得相關(guān)變量的詳細(xì)信息,揭示潛在的物理過程。

  在容積式旋轉(zhuǎn)壓縮機領(lǐng)域,CFD 計算取得了一定的成果,黃思、岳向吉等將動網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用在滾動轉(zhuǎn)子壓縮機瞬態(tài)流動的分析上,給出了直觀、豐富的流場信息; 馬一太等用Fluent 軟件的動網(wǎng)格技術(shù),模擬了滾動轉(zhuǎn)子膨脹機的瞬態(tài)流場; 耿瑋等利用STAR-CD 軟件模擬了滾動轉(zhuǎn)子壓縮機內(nèi)部流場,找到了提高了壓縮機整體效率的方法。倫敦城市大學(xué)的Kovacevic 等詳細(xì)研究了螺桿壓縮機壓縮腔的網(wǎng)格生成技術(shù),使用CFD 軟件計算得到了螺桿壓縮機壓縮腔的三維流動參數(shù)。

  在渦旋壓縮機領(lǐng)域,CFD 的應(yīng)用很少,國內(nèi)只有李超等將CFD 技術(shù)用于分析不同渦旋型線的內(nèi)部流場,但其只簡單分析了一個月形壓縮腔的內(nèi)部流場,沒有使用動網(wǎng)格技術(shù)全面分析動態(tài)壓縮過程。國外研究者已經(jīng)開始研究,但研究者的人數(shù)不多,得到的結(jié)論沒有被充分驗證。S.Pietrowicz 等利用商業(yè)數(shù)學(xué)軟件解N-S 方程對渦旋壓縮機單個壓縮腔作了二維的模擬仿真,Ooi 用二維的數(shù)值模型仿真了渦旋壓縮機內(nèi)部流場,分析了流體與渦旋齒的熱傳導(dǎo)系數(shù)取值問題。

  本文將CFD 的動網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用在渦旋壓縮機流場的動態(tài)數(shù)值模擬中,詳細(xì)闡述了CFD 動網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用于渦旋壓縮機流場仿真的實現(xiàn)方法,全面展示了渦旋壓縮機旋轉(zhuǎn)過程中的流場變化,為渦旋壓縮機優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用提供重要參考。

2、理論模型

  2.1、物理模型

  本文所采用的渦旋壓縮機容積腔的軸向投影如圖1 所示。

渦旋壓縮機月形壓縮腔

圖1 渦旋壓縮機月形壓縮腔

  當(dāng)偏心軸推動動渦盤繞靜渦盤中心作圓周運動時,封閉的容積腔相應(yīng)地擴大或縮小,由此實現(xiàn)氣體的吸入、壓縮和排氣。低壓氣體從靜渦盤上開設(shè)的吸氣孔口經(jīng)壓縮后由靜渦盤中心處的排氣孔排出。

  該渦旋壓縮機基圓半徑a = 3. 1mm,渦旋齒厚t = 4. 4mm,渦圈中心線最終展開角為810°,渦旋齒采用對稱圓弧修正,排氣孔為圓形,直徑為4. 5mm,動渦盤轉(zhuǎn)速2800r /min。

3、求解方法

  3.1、網(wǎng)格劃分

  從壓縮機CAD 模型中提取流體域作為計算域,為了便于計算,渦旋壓縮機形狀和排氣管都作了一定簡化,網(wǎng)格劃分在ICEM CFD 軟件中完成,大約有網(wǎng)格單元14 萬,如圖2( a) 所示。渦旋壓縮機計算域由壓縮機和排氣管兩部分組成,壓縮機由棱柱體網(wǎng)格組成,壓縮機排氣管由六面體網(wǎng)格組成,兩個計算域由交界面( interface) 連接在一起。交界面( interface) 保證了動盤運動到排氣管之后不會產(chǎn)生網(wǎng)格計算錯誤。圖2( b) 為渦旋壓縮機側(cè)面剖視。圖2( c) 為渦旋壓縮機網(wǎng)格正視,由圖可見,渦旋壓縮機網(wǎng)格從正面看為三角形網(wǎng)格,經(jīng)過縱向拉伸以后變換為棱柱型網(wǎng)格,該網(wǎng)格保證了彈簧光順與局部重劃動網(wǎng)格方法的應(yīng)用。

壓縮機網(wǎng)格

圖2 壓縮機網(wǎng)格

結(jié)語

  建立了渦旋壓縮機的三維流場仿真模型,用2. 5D 動網(wǎng)格技術(shù)解決了渦旋盤運動的問題,確定了簡單合理的邊界條件,利用RNG k - ε 湍流模型實現(xiàn)了渦旋壓縮機動態(tài)流場的數(shù)值模擬。給出了直觀、豐富的流場信息,可觀測到旋渦的生成、運動、破裂的過程,這是理論模型分析和實驗研究所無法比擬的。這些結(jié)果為進一步的渦旋壓縮機研究打下了良好基礎(chǔ),為分析渦旋壓縮機等流體機械內(nèi)部復(fù)雜的湍流流場提供了一種新的手段。