壓縮機仿真：補氣式滾動轉子壓縮機的CFD仿真及優化研究
空調、制冷行業的快速發展，極大地推動了壓縮機技術的發展，對于我國北方等低溫地區，隨著室外溫度降低，壓縮機壓縮比增大、蒸發溫度降低等，存在低溫環境下制熱能力下降的難題，其中，中間補氣技術是熱泵低溫環境有效克服低溫環境的有效措施之一；補氣技術也由此越來越引起壓縮機制造企業的重視，對提高企業壓縮機產品的綜合競爭力具有十分重要的意義。
單缸滾動轉子壓縮機的補氣是通過在壓縮腔中增加補氣口，通過引入中壓流體形成對壓縮腔進行噴射補氣。圖1為該類壓縮機的補氣增焓結構圖，滾動轉子壓縮機的工作過程中包括了吸氣和壓縮過程，而補氣是針對壓縮過程補氣，將補氣孔設置在與壓縮腔連通的排氣孔附近，而為了防止補氣流體回流，可以設置簧 片閥等止回閥結構，當補氣流體壓力大于壓縮腔內的流體壓力時打開補氣孔進行補氣，稱為準二級壓縮形式。準二級壓縮的滾動轉子壓縮可有效解決壓縮機在低溫工況下排氣溫度過高和制熱量不足等問題，已經成為解決低溫工況下空氣源熱泵性能衰減的重要技術途徑。由于補氣口開在排氣口附近的氣缸壁上，將不可避免有一段補氣口和吸氣口串通的時間，在這段時間內，補氣口噴射出來的中壓流體回流至吸氣管，導致壓縮機的容積效率下降；為了克服上述技術問題，根據滾動轉子壓縮機中設置有往復運動的滑片結構，發展出了一種將補氣通道開設在滑片上的補氣結構，如圖1（b）所示，將補氣通道直接設置在滑片上，并將補氣通道的端部距離滑片端部一定距離設置，通過該距離的設定可以實現在吸氣階段不進行補氣而在壓縮階段才開始補氣，防止了噴射氣體的回流，更好地適應滾動轉子壓縮機的工作過程，提高了補氣效果。本文則以圖1（b）所示補氣式滾動轉子壓縮機為例，介紹如何利用CFD分析手段預測補氣式結構對壓縮機熱性能的影響。
圖1 單缸滾動轉子壓縮機補氣結構原理圖
帶有滑板噴射結構的滾動轉子壓縮機，除了從吸氣口進入壓縮腔的制冷劑外，還有一部分制冷劑氣體從滑板進入壓縮腔，起補氣作用?；逖a氣內部結構如下圖所示。位于壓縮機滑板內部的補氣結構包括制冷劑噴射通道、噴射單向閥和用于限制單向閥開度的升程限制器。
圖2 滑板噴射補氣幾何結構
轉子壓縮機開始工作時，當轉子轉過吸氣口下邊緣角時，壓縮腔形成，噴射口下沿恰好和噴射口上沿（即滑板槽下沿）重合，噴射過程開始。隨著轉角增大，壓縮腔內制冷劑壓力逐漸增大，滑板繼續向下移動，噴射口的面積也在增加，當到達某一位置以后，壓縮腔內壓力和制冷劑噴射壓力相等，此時噴射閥關閉，噴射過程結束。
圖3 壓縮機補氣噴射過程
補氣式滾動轉子壓縮機主要由滾動活塞、氣缸、滑板（包含補氣噴射結構）、背壓彈簧、偏心輪軸、上端蓋、下端蓋以及排氣閥等零部件組成，結構相對復雜、參數量大并且多數在低溫高轉速環境下工作，實驗難度較大、設計成本較高、研發周期也相應延長。隨著計算機技術的發展，利用CFD技術進行滾動活塞壓縮機仿真分析已經成為可能，且已有相關研究人員進行了一些類似的模擬研究，取得了一定技術成果用來指導相關設計研究。但大部分的CFD數值分析對壓縮機結構進行了相應的簡化，并以穩態計算為主，因此并沒有真正實現活塞壓縮機瞬態真實物理過程的模擬，對于補氣結構更是無法直接模擬。從CFD技術實現上來看，簡化模擬主要因為以下幾個難點：
構建合理的計算網格：
滾動轉子部分需要構建高質量的結構網格，需要考慮微米級別的徑向間隙。
補氣閥門部分和出口閥片部分需要構建高質量網格，避免開關過程中引起負網格問題。
動網格設置及流固耦合模擬：
滾動轉子，出口閥片及補氣閥片均需考慮動網格運動，傳統的CFD方法往往需要通過二次開發實現網格運動的描述。
壓縮機出口閥片和補氣結構的閥片，其打開和關閉過程受流場作用和閥片結構本身的材質影響，需要考慮整個過程的流固耦合作用，通常需要構建動力學模型描述整個運動過程，同時需要將運動規律映射到網格運動，使閥片的開關過程與動網格描述保持一致。
需要考慮制冷劑介質的真實氣體物性。
基于上述CFD分析技術難點的概述，采用通用的CFD仿真技術并不能較好的解決滾動轉子壓縮機的熱力學仿真分析。基于此，本文將介紹一種專業型壓縮機CFD仿真分析工具SimericsMP+進行補氣式滾動轉子壓縮機仿真的方法。
Simerics-MP+（原PumpLinx）為專業級的具有多領域獨特應用優勢的CFD仿真工具，具備包括船舶、車輛、葉輪機械、容積式泵/壓縮機、閥門以及系統仿真等在內的多個專業模塊，可針對不同的領域分析特點準確高效的完成網格劃分、動網格設置、計算模型設置計算以及后處理等工作。
目前，Simerics-MP+可針對客戶的不同應用，提供相對應的解決方案：
Simerics-MP+ for Marine
Simerics-MP+ for Vehicle
Simerics-MP+ for Turbo
Simerics-MP+ for PD
Simerics-MP+ for Valves
Simerics-MP+ for Systems
對于容積式壓縮機的仿真應用而言，可采用Simerics-MP+ for PD專業模塊進行相應的仿真分析，其內置的多種壓縮機應用模板和先進的求解器可快速解決上述技術難點：
Simerics MP+滾動活塞壓縮機模板功能特點：
自動構建滾動轉子區域的結構網格，嚙合間隙可低至微米級別
可自動構建出口閥片與補氣閥片的高質量網格
自動設置滾動轉子的動網格
自動設置出口閥片與補氣閥片的動網格
自動構建出口閥片和補氣閥片流固耦合運動的動力學模型，模擬閥片的打開和關閉過程
Simerics MP+軟件其他特點：
自動提取Nist數據庫真實氣體物性數據
快速求解，高效收斂
圖3 真實物性數據提取
閥片運動動力學模型原理介紹
滾動式活塞壓縮機轉自與壓縮腔之間的空間隨著滾動活塞的旋轉，壓縮腔容積減小，當壓縮腔內壓力達到排氣壓力時，排氣閥將被打開允許排氣。因此，排氣閥的工作原理也至關重要，排氣閥片安放在排氣口位置，通常由薄金屬制成，其作用是封閉氣缸內的冷媒，當壓縮腔壓力達到某一定值時，閥片被壓開，壓縮后的冷媒從排氣口排出。閥片的真實運動運動過程為非線性變形的流固耦合過程，按照真實的非線性變形處理難度較大，且非常耗時，本文介紹了一種線性簡化的方法，經驗證認為，既可以較好的考慮閥片的開閉過程對壓縮機流量的影響，同時又能保證較高的計算精度。
圖4 排氣閥結構示意圖
如上圖4為排氣閥片的常規結構示意圖，通常由一個一端固定，另一端自由的薄層金屬和限位結構組成。當在開啟方向上有足夠的氣體力時閥片將彎曲打開，以允許流體通過開孔；如果受到的氣體力為反方向，則推動閥片關閉流道。在多數情況下，由于閥孔較小，可以將閥片假定為一個懸臂梁受到集中載荷作用，其運動模擬可簡化為繞其固定端的旋轉，如上圖5（b）所示。這種方法更精確的近似真實氣門彎曲，而不需要耦合復雜的應力應變分析。因此，這種簧 片閥動力學建?？梢越普J為是扭轉質量和等效彈簧組成的運動系統建模。
其中：θ—閥片開啟角度；I—閥片轉動慣量；C—旋轉摩擦系數；K—等效為彈簧的扭轉系數；T—氣動力力矩；t—時間。
其中，等效為彈簧的扭轉系數又可根據虎克定理表示為：
扭轉系數同時又可根據匹配閥片在相同流體載荷下的彎曲旋轉運動來表示。將閥片假定為一個懸臂梁受到集中載荷作用，由于閥片開啟角度較小，其開口處的撓度可表示為：
圖6 撓度計算公式
其中，E—閥片結構的彈性模量；I—閥片截面慣性矩（通過CAD可快速測得）；P—集中載荷；a—開孔距固定端的距離；
對于較小的撓度，可以認為θ=arctan?(y/a)≈y/a。聯立方程T=Pa，扭轉系數表示為:
截面慣性矩計算公式如下：
其中，b為閥片寬度，h為高即為閥片厚度（即與集中力平行方向），獲得截面慣性矩I，從而計算得到扭轉系數K。轉動慣量I數值可從CAD軟件中根據不同材料密度直接獲取。因此可建立如方程（1）所示的簧 片閥運動的動力學模型。
利用SimericsMP+的旋轉閥門模板可實現該部分閥片區域的網格生成、動網格設置，聯立上述的動力學模型即可實現簧 片閥的流固耦合運動模擬。由此可知，利用SimericsMP+的自由度模型功能，用戶只需提供扭轉常數(K)、轉動慣量(I)和預緊扭矩這幾個數值即可自動建立簧 片閥的動力學模型。其中預緊扭矩是指施加在旋轉中心的分布預緊力的累計扭矩，如沒有則視為0。
補氣式轉子壓縮機模型介紹
為探討補氣結構對壓縮機熱力學性能的影響，以某典型補氣式轉子壓縮機為分析對象，建立三種不同的分析模型，對比分析補氣結構對于壓縮機熱力學性能的影響。三種結構分別為：
包含補氣結構且考慮補氣，VIRC
不包含補氣結構，SSRC
包含補氣結構，不考慮補氣，NVIRC
圖7 三種不同類型的滾動轉子壓縮機模型
利用三維CAD軟件提取壓縮機流體域模型，如下圖所示，為雙排氣補氣式滾動轉子壓縮機。
圖8 壓縮機流體域（VIRC）
補氣式滾動轉子壓縮機網格劃分
如下圖所示，轉子部分利用SimericsMP+的Rolling piston模板進行轉子部分的結構網格劃分，并自動設置動網格。
排氣閥片和補氣閥片部分利用SimericsMP+的Circumferential Valve模板進行網格劃分，并自動設置動網格。其余部分采用通用的笛卡爾網格劃分技術進行網格建模。最終網格數約為VIRC 模型150萬，NVIRC80萬，SSRC模型79萬。
圖10 出口排氣閥片流體域處理及網格劃分
圖11 補氣閥片流體域處理及網格劃分
圖12 VIRC整體區域網格劃分
邊界條件及物性參數設置
如下表所示，Pin—壓縮機入口壓力，Tin—入口溫度，Pinj—制冷劑補氣口壓力，Tinj—制冷劑補氣口溫度，Pdis—壓縮機出口壓力。以上均為絕對壓力。制冷劑為R410A，考慮真實氣體物性參數。仿真工況見下表：
為驗證該閥片簡化模型對計算精度的影響，特選定case1和case2作為VIRC模型的仿真結果驗證工況，case3和case4作為SSRC模型的仿真結果驗證工況，由試驗廠家提供試驗測試數據。其他計算工況均為CFD計算工況，分析不同的工況條件下，三種結構的壓縮機熱力學特性結果對比。
壓縮機其他運行參數如下圖所示：
工作介質：制冷劑R410A，采用真實氣體物性
壓縮機轉速：2700rpm
閥片密度：7950kg/m^3
閥片彈性模量：210GPa
閥片轉動慣量：1.434e-7 kg/m^2
扭轉常數：0.786 N.M/rad
滾動轉子壓縮機計算結果對比
圖13 VIRC&SSRC試驗與仿真對比
VIRC排氣與補氣質量流量如上圖所示，仿真與實驗差距較小，分別為1.64%與3.25%，SSRC排氣質量流量對比可知仿真與實驗差值僅為1.16%。
同一工況三種結構性能對比
Case5-8與Case9-12分別為相同的運行工況條件，三種結構的熱力學性能預測對比，結果如圖所示：
圖14 三種模型在不同溫度下排氣質量流量數值對比圖
隨著入口溫度的升高，三種壓縮機的排氣流量都顯著上升，由于VIRC具有補氣結構、吸入流量更高，因此在三種結構中VIRC的排氣量最多。與SSRC模型相比，在不同入口溫度下，VIRC模型的排氣流量增加了12.33%-28.85%，入口溫度越低，增強效率越大。但NVIRC與SSRC模型在所有工況條件下得出的結果都十分接近，排氣流量相對誤差小于0.99%.
通過在同一工況，不同模型的對比下，結果表明，壓縮機噴射結構的補充對排氣的質量流量具有顯著影響。
同一工況下（對應case6&case10工況），三種模型轉子包角與排氣閥片開度和出口排氣流量曲線開度-對比：
由以上對比可知：
對于VIRC模型，排氣閥片保持開啟的角度范圍為124°，而NVIRC和SSRC模型保持開啟的角度范圍為112°；
排氣閥的起始開啟角度由壓縮腔壓力決定，VIRC模型由于補氣結構的影響，相比NVIRC和SSRC要提前12°打開。
VIRC結構的出口質量流量峰值為720.05kg/h，要高于SSRC結構的排氣量。補氣結構增加了壓縮腔的泄露，因此NVIRC的流量峰值相比SSRC要低6.2kg/h。
以下為部分壓力與溫度云圖動畫：
圖16 不補氣模型壓力云圖變化過程
圖17 不補氣模型溫度變化云圖變化過程
圖18 補氣模型壓力云圖變化過程
圖19 補氣模型溫度云圖變化過程補氣結構噴嘴結構優化設計探討
為了研究補氣噴射位置對壓縮機性能的影響，利用Case6-VIRC模型的工況模擬三個具有相同噴嘴面積，但位置不同的補氣特性。具體模型如下圖所示：
圖20 方案1：補氣口提前開啟，補氣口開啟時轉子角度由45度變為40度
圖21 方案3：補氣口推遲開啟，補氣口開啟時轉子角度由45度變為55度
圖22 三種方案進氣與排氣流量對比
從優化設計方案結果可以看出，隨著補氣口開啟角度變大，補氣延遲，補氣流量與排氣流量都有所減??；相比于方案1的40°開啟角相比，方案3的排氣流量與補氣流量分別降低了2.26%與11.58%。
通過對閥片結構采用簡化的動力學模型，采用SimericsMP+的專業模板技術對有/無補氣結構的滾動轉子壓縮機相關參數與試驗進行仿真對比，驗證了Simerics-MP+軟件在壓縮機熱力學數值模擬上精度的可靠性；通過對不同運行工況下，考慮補氣和不考慮補氣的三種方案進行模擬分析，評估了補氣結構對壓縮機熱力學特性的影響，并獲得了更詳細準確的壓縮機熱力學特性數據；通過對補氣結構初始補氣角度的設計方案對比，探討了不同初始角對于補氣性能的影響。具體如下：
通過與試驗測試數據對比，VIRC與SSRC排氣質量流量相比試驗測試值誤差分別為1.64%與1.16%，進氣質量流量相比試驗測試值誤差為3.25%，驗證了SimericsMP+進行壓縮機熱力學性能預測的準確性；
與無補氣結構模型（SSRC）相比，在不同入口溫度下，VIRC模型的排氣流量增加了12.33%-28.85%；NVIRC模型與無補氣模型結果相似；
在對補氣結構進行優化過程中發現，較早開啟補氣有助于增加補氣流量與排氣流量，初始補氣角度由40°增大為55°時，補氣流量與排氣流量分別減小了2.26%和11.58%。
利用該仿真技術，還可探討不同的閥片金屬材料對于壓縮機補氣和熱力學特性的影響，此處不再展開說明。
致謝
特別鳴謝：清華大學王寶龍教授的指導和支持。
文章來源：?；萍?br>
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