涡旋压缩机压缩腔流体的CFD模拟分析及应用
2014-06-09邢恒远秦海杰
邢恒远，王 珍，，秦海杰
（1.大连大学振动噪声研究所，辽宁大连116622；2.大连三洋压缩机有限公司，辽宁大连116033）
涡旋压缩机压缩腔流体的CFD模拟分析及应用
邢恒远1，王 珍1，2，秦海杰2
（1.大连大学振动噪声研究所，辽宁大连116622；2.大连三洋压缩机有限公司，辽宁大连116033）
CFD技术在涡旋压缩机领域中的应用越来越重要，根据现有的一个涡旋压缩机的物理模型，建立其在工作过程中某一状态下的准静态的压缩腔计算模型，然后采用CFD软件FLUENT对其进行模拟计算得到其流场特性和压力损失，在此基础上对原有模型的圆渐开线型线结构进行改进，研究正方形渐开线型线和圆渐开线-高次曲线-圆弧组合型线两种结构并模拟计算，结果表明其压力损失都大幅度减小且后者的泄漏线长度也大幅度减小，这为进一步研究涡旋型线的设计理论提供参考。
涡旋压缩机；涡旋型线；流场模拟
1 引言
涡旋压缩机在空调制冷领域中的应用非常广泛，它之所以能够实现气体压缩，主要是依靠动静涡盘的啮合而形成的周期性变化的几对月牙形工作腔容积的变化。性能要求方面，压力损失是涡旋压缩机在工作过程中的一项重要参数，传统采用经验公式和试验研究方法不能满足现状，而计算流体动力学（CFD）提供了一种利用计算机仿真分析涡旋压缩机内部流场特性和计算压力损失的方法[1]。该方法不需要繁杂的测试设备，在设计阶段就可以对其进行流体动力学分析，近似预测其压力损失，以对其进行相应的结构改进。
2 型线方程和数值方法
2.1 型线方程
本文依据现有的一个涡旋压缩机的型线方程（圆渐开线型线结构），建立其工作时压缩腔在曲轴转动到90°的计算模型[2]。此外，对原有模型进行改进建立正方形型线方程[3-4]，以及建立圆渐开线-高次曲线-圆弧组合型线方程[5]，改进准则是三者的最大展弦都为87.65 mm。
圆渐开线中心涡旋型线方程
式中 N——涡旋圈数
t——软件的自身变量 [0～1]
a——基圆半径，a=3.66 mm正方形型线中心涡旋型线方程
式中 a——正方形边长
θ——变量参数，θ≥0
[x]—不超过x的最大整数
圆渐开线-高次曲线-圆弧组合型线方程：
第1段：圆渐开线
式中 R1=a，R2=aφ，a为基圆半径
第2段：高次曲线
第3段：圆弧
式中 k1k2——圆弧圆心调节系数
R5——最大展弦
2.2 数值方法
涡旋压缩机工作过程中的流动视为湍流状态，采用标准k-ε模型描述。湍动能k和湍动耗散率ε按下式计算
式中 u′——湍流脉动速度
u——平均速度
I——湍流强度
Cu——取0.09
l——湍流长度尺度（特征长度）
ReDH——按水力直径DH计算得到的Reynolds数计算采用有限容积法离散微分方程组，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法，在靠近避免的区域，采用避免函数法来处理，对流项采用高阶的二阶迎风格式离散（Second Order Upwind），而扩散项采用中心差分格式离散。网格划分方面，将如图1的计算区域分成8个子区域，然后对各个区域分别采用试题坐标的方法生成结构化正六面体结构化网格，考虑到进出口和壁面的流体流动会比较复杂，因此在进出口区域和壁面附近区域将网格加密。计算边界处理如下：
图1 圆渐开线型线计算模型二维示意图
图2 正方形渐开线型线模型二维示意图
图3 组合型线模型二维示意图
（1）进口边界：设置为涡旋压缩机曲轴转到90°时瞬时的速度入口，并分别计算在不同速度入口下的模拟（7 m/s、17 m/s、27 m/s、37 m/s、47 m/s、57.65 m/s、67 m/s、77 m/s、87 m/s）；
（2）出口边界：出口设置成压力出口，即给定的出口压力；
（3）壁面条件：考虑了热能量交换，无摩擦，采用无滑移条件。
3 计算结果分析
根据物理模型所建立的数学模型不难发现，在泄漏线方面，圆渐开线-高次曲线-圆弧组合型线最小，其次是圆渐开线，型线最长的则是正方形型线结构，泄漏线越长则意味着该结构更容易造成气体泄漏，从而降低了压缩机压缩性能。
通过CFD结果，图4、5、6显示的是3种结构的三维速度矢量分布和迹线图。可以很直观地发现速度集中在压缩腔的进出口处。由于组合型线的泄漏线最短，因此腔体中被压缩气体所经过的通道长度最短，则受到的阻力和摩擦等流动损失也就最小，因此在图6中。速度大的点分布更广一些，而图4和图5速度大的点只在距离进出口比较狭窄的区域，这也证实了在压缩效率方面，组合型线最好，其次是圆渐开线型线。
图4 圆渐开线型线三维速度矢量分布和迹线图
图5 正方形渐开型线三维速度矢量分布和迹线图
图6 组合型线三维速度矢量分布和迹线图
纵向比较图7所示，相同入口速度的前提下，组合型线压缩腔压力损失大幅度减小，其次是正方形渐开线，这同样是因为组合型线的泄漏线最短且腔体的通道更大更宽阔一些，那么被压缩的气体在流经压缩腔时，内外壁触壁反弹的气体之间不容易形成涡旋，即流动损失程度也会相应更小。相反，其它2种型线结构，由于压缩腔通道相对狭窄，那么在气体流经压缩腔时由于惯性作用，内外壁气体之间更容易形成旋涡（图中黑色迹线显示的旋涡），这是造成压力损失大小不同的重要原因之一。横向比较，对于相同的型线涡旋压缩机，入口速度越大，压力损失则越大，这是因为速度越大，受到的阻力也就越大，也就是说更多的能量被耗散掉，并且内外壁气体在触壁后两者之间更容易造成气体漩涡，因此我们不能一味地追求高排气量。
图7 3种型线结构压力损失数据图
4 结论
本文采用CFD仿真分析了现有的一个涡旋压缩机圆渐开线型线结构的流场特性和压力损失，在此基础上，按照一定的改进原则对其结构进行改进，得到2种结构，分别是正方形渐开线型线结构和圆渐开线-高次曲线-圆弧组合型线，2种结构计算结果发现，流场特性和压力损失都有一定的改善和提高，这为涡旋压缩机的型线设计研究提供了理论参考。
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CFD Simulation and Application of Interior Flow Field for Scroll Compressor
XING Heng-yuan1，WANG Zhen1,2，QIN Hai-jie2
（1.Institute of Vibration and Noise，Dalian University，Dalian 116622，China；2.Dalian SANYO Compressor Co.，Ltd.，Dalian 116033，China）
With the development of CFD technology，it plays increasingly critical role in the sphere of scroll compressor.According with an existing physical model of scroll compressor，simplified and built its quasi-static calculation model under a state during its working process.Then，by using CFD software-FLUENT，simulated it to get its flow characteristics and pressure loss.On this basis，optimized the original model to get two modified structural models and calculated and compared.The result shows that the pressure loss is greatly reduced and the leakage length of them is also increasingly decreased.This will provide a theoretical reference for further study of scroll profile.
scroll compressor；scroll profile；flow field simulation
TH455
A
1006-2971（2014）01-0015-03
邢恒远（1988-），男，硕士，大连大学机械工程专业，研究方向为流体分析。E-mail:woshixhy@163.com
2013-07-09
