滾動(dòng)活塞式壓縮機(jī)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，部件少，制造成本低，效率和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在小容量冰箱或空調(diào)被大量使用。其主要工作部件（如圖1）包括靜態(tài)氣缸、偏心滾動(dòng)轉(zhuǎn)子、滑片和排氣閥等。所有部件之間存在兩條主要的接觸線，分別是偏心轉(zhuǎn)子和氣缸壁之間以及滾動(dòng)轉(zhuǎn)子和滑片之間。兩條接觸線使整個(gè)腔室分為吸氣室和壓縮室。吸氣室和進(jìn)氣道相連，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，腔體擴(kuò)張，氣體進(jìn)入腔室。同時(shí)，壓縮室體積減小，一旦壓力足夠大，排氣閥打開(kāi)，壓縮氣體排出。

圖1 CFD模型流體域

左側(cè)為主要外部部件，中間為排氣閥細(xì)節(jié)，右側(cè)為對(duì)應(yīng)的部件名稱(chēng)

過(guò)去有很多研究者主要對(duì)滾動(dòng)活塞式壓縮機(jī)腔室內(nèi)流動(dòng)做了研究，這些研究表明要計(jì)算正確的效率必須準(zhǔn)確模擬各個(gè)泄漏途徑。滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)的CFD研究包括了壓縮氣體的流通路徑，排氣閥動(dòng)力學(xué)以及潤(rùn)滑油的流動(dòng)等。大多數(shù)包含部件運(yùn)動(dòng)的研究都是利用傳統(tǒng)CFD工具的動(dòng)網(wǎng)格方法。但這些方法需要很長(zhǎng)的設(shè)定時(shí)間，數(shù)值精度很難保證，因此也無(wú)法準(zhǔn)確了解內(nèi)部流動(dòng)的本質(zhì)。CONVERGE則可以提供更高效和精確的解決方案。

本次研究就使用CONVERGE對(duì)滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)進(jìn)行了模擬，并通過(guò)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。區(qū)別于其他工具最大的亮點(diǎn)就在于CONVERGE在整合動(dòng)邊界（包括滾動(dòng)轉(zhuǎn)子，滑塊，排氣簧 片）運(yùn)動(dòng)過(guò)程的易用性、簡(jiǎn)短的用戶設(shè)定時(shí)間以及更高的數(shù)值精度。

本次研究采用CONVERGE專(zhuān)利技術(shù)——基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)格生成的笛卡爾切割網(wǎng)格，即在內(nèi)部主體域?yàn)楦呔群透叻€(wěn)定性的正交六面體網(wǎng)格，邊界附近的切割體網(wǎng)格可以完美保持幾何外形不失真。本案例中轉(zhuǎn)子和滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是以曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)來(lái)定義的，如圖2所示。排氣簧 片的運(yùn)動(dòng)則是通過(guò)beam model動(dòng)態(tài)計(jì)算獲得的。

圖2 通過(guò)缸壁軸向中心的截面

質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒的控制方程基于有限體積單元通過(guò)壓力-速度耦合的Pressure-Implicit Splitting of Operator(PISO)方法求解。狀態(tài)方程使用和密度、溫度及壓力相關(guān)的R-410a物性文件計(jì)算的真實(shí)氣體模型。RNG k-e湍流模型求解湍流效應(yīng)。動(dòng)量和能量守恒方程使用二階中心格式求解，湍流傳輸方程在空間采用一階求解。時(shí)間推進(jìn)是基于CFL數(shù)的動(dòng)態(tài)時(shí)間步長(zhǎng)一階全隱式求解。

CFD模型基于文獻(xiàn)[1]中的試驗(yàn)研究來(lái)建立。試驗(yàn)對(duì)一臺(tái)大容量雙缸R(shí)-410a滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)的內(nèi)部壓力、體積效率和指示效率做了測(cè)試，單缸排量為42cc。入口邊界采用測(cè)試的壓力數(shù)據(jù)，分別模擬了曲軸轉(zhuǎn)速在2600，3600，4600，5600和6600RPM五個(gè)工況。標(biāo)稱(chēng)吸氣條件為0.788MPa壓力，298K溫度，排氣壓力為3.5MPa。

模型在每個(gè)工況點(diǎn)都運(yùn)算6個(gè)循環(huán)，保證排氣的流量和溫度達(dá)到統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定狀態(tài)。為了決定合適的網(wǎng)格解析方案，采用7組不同的網(wǎng)格完成網(wǎng)格收斂性研究，分別標(biāo)記為Grid0-6。最粗網(wǎng)格方案Grid0，基準(zhǔn)尺寸為8.0mm，最密網(wǎng)格方案Grid6，基準(zhǔn)尺寸為1.0mm，圖3展示了這7套網(wǎng)格下體積效率、指示效率和PV圖結(jié)果。

圖3 3600RPM基礎(chǔ)工況下網(wǎng)格收斂性研究

結(jié)合三維流場(chǎng)結(jié)果（圖4為其中三組網(wǎng)格截面）也可以看出，自適應(yīng)網(wǎng)格的加密效果非常明顯，網(wǎng)格主要集中在計(jì)算域中速度和溫度梯度高的位置。總體來(lái)看，在Grid4網(wǎng)格方案下，效率值達(dá)到收斂，更密的網(wǎng)格不會(huì)對(duì)結(jié)果有更大的改善。PV圖顯示了更多的敏感性，最密網(wǎng)格方案的結(jié)果預(yù)測(cè)性更好，對(duì)壓力傳感器引起的壓縮段壓力波動(dòng)的幅值吻合得更好。

圖4 軸向切面（上圖）和沿著排氣閥中線切面（下圖）的Grid4，5，6網(wǎng)格方案下速度云圖

從所有結(jié)果看，Grid0和1的網(wǎng)格太粗而引入效率和壓縮曲線很大的誤差。這些誤差主要是由于滑塊頂端間隙解析網(wǎng)格不足引起了過(guò)量泄漏。和同類(lèi)工具相比，CONVERGE的自適應(yīng)網(wǎng)格大大減少了體網(wǎng)格的數(shù)量（僅為均布網(wǎng)格的十分之一），從而也大大降低了計(jì)算成本。8個(gè)CPU并行條件下，Grid4方案計(jì)算6個(gè)循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定大概只需要24小時(shí)。

圖5比較了仿真和試驗(yàn)的質(zhì)量流量以及指示功。體積效率的試驗(yàn)結(jié)果是在4600RPM工況下形成拐點(diǎn)的非單調(diào)變化。這主要是由于壓縮腔上游的油氣分離器和消聲器中的噪聲引起的。由于使用了測(cè)試的吸氣壓力作為邊界條件，體積效率和質(zhì)量流量的這一趨勢(shì)被很好的捕捉到，雖比試驗(yàn)值略低，但4600RPM工況下達(dá)到了變化拐點(diǎn)。4600RPM之后的效率下降趨勢(shì)也準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)到了。

由于CONVERGE模型對(duì)各個(gè)腔室都做了明確的定義，指示效率可以通過(guò)壓縮室內(nèi)體積平均的壓力和體積的PV圖積分計(jì)算得到的。盡管無(wú)法揭示試驗(yàn)傳感器引起的壓力波動(dòng)噪聲，但指示功的仿真結(jié)果和試驗(yàn)差距很小。

圖5 2600~6600RPM五個(gè)轉(zhuǎn)速工況下質(zhì)量流量和指示功的試驗(yàn)值（黑方塊）、CFD模型值（綠圈）和理想值（灰線）

圖6中對(duì)比了所有轉(zhuǎn)速下的PV圖。隨著轉(zhuǎn)速上升，CFD模型很好的捕捉到了排氣階段的過(guò)壓升高現(xiàn)象。壓縮階段壓力波動(dòng)幅值增大的現(xiàn)象也可以體現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，由于泄漏的原因，低速和中速在壓縮初始階段的壓力被高估；而排氣簧 片的過(guò)壓被高估則是在中速和高速工況下仿真和試驗(yàn)差別的主要原因。

圖6 2600~6600RPM轉(zhuǎn)速工況下試驗(yàn)（黑實(shí)線）、CFD模型（綠線帶圈）和理想（灰線）PV圖

簧 片閥的模擬采用動(dòng)態(tài)FSI模型耦合計(jì)算預(yù)測(cè)的開(kāi)度和受力，可以揭示更多的信息。圖7展示了3600RPM轉(zhuǎn)速工況下預(yù)測(cè)的簧 片受力、升程及通過(guò)流量的結(jié)果，同時(shí)仿真也可以獲得每個(gè)時(shí)刻沿著簧 片長(zhǎng)度方向的局部升程（形變）和受力分布。

圖7 簧 片閥相關(guān)結(jié)果輸出，左側(cè)三圖為簧 片的平均受力，最大開(kāi)度及通過(guò)流量，右側(cè)兩圖為224~244deg6個(gè)轉(zhuǎn)角時(shí)刻簧 片長(zhǎng)度方向上的局部位移和受力分布

更多的工作過(guò)程和流場(chǎng)細(xì)節(jié)可以在三維結(jié)果中得到展現(xiàn)（如圖8），更多的關(guān)于滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證工作也會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。

圖8 簧 片運(yùn)動(dòng) 

CONVERGE工具為滾動(dòng)活塞式壓縮機(jī)的CFD模擬提供了一套解決綜合部件運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化網(wǎng)格生成計(jì)算方案并經(jīng)過(guò)了一個(gè)帶運(yùn)動(dòng)簧 片閥的R-410a滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)試驗(yàn)研究的驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果表明，CONVERGE的計(jì)算方案可以非常好的預(yù)測(cè)質(zhì)量流量、指示功和PV圖等指標(biāo)，而且整個(gè)仿真過(guò)程便捷、高效。

歡迎更多的行業(yè)用戶使用CONVERGE！ 

[1]. Y. Qian, L. Zhang, X. Zhang, Z. Ying, P-V Diagram Measurement of a Variable Speed Rotary Compressor with Large Displacement. International Compressor Engineering Conference (2018) Paper 2551.

文章來(lái)源：艾迪捷