基于局部彈性變形與網(wǎng)格重劃的CFD 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)渦旋空氣壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)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(dòng)。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果表明，渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)隨時(shí)間周期變化，渦旋壓縮機(jī)內(nèi)存在旋渦生成、運(yùn)動(dòng)等現(xiàn)象。該計(jì)算非常形象地揭示了渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，為渦旋壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論參考。

1、引言

　　渦旋式壓縮機(jī)體積小、效率高、噪聲低，目前在空調(diào)領(lǐng)域已具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。渦旋壓縮機(jī)的流動(dòng)傳熱過(guò)程非常復(fù)雜，許多學(xué)者為此做了大量的工作，對(duì)各熱力過(guò)程進(jìn)行了能量分析并建立壓縮機(jī)的數(shù)學(xué)模型。但這些理論模型受各自簡(jiǎn)化假設(shè)的局限，較難滿足渦旋壓縮機(jī)流場(chǎng)的一般規(guī)律。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，運(yùn)用計(jì)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(diǎn)，可同時(shí)獲得相關(guān)變量的詳細(xì)信息，揭示潛在的物理過(guò)程。

　　在容積式旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)領(lǐng)域，CFD 計(jì)算取得了一定的成果，黃思、岳向吉等將動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用在滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)瞬態(tài)流動(dòng)的分析上，給出了直觀、豐富的流場(chǎng)信息; 馬一太等用Fluent 軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，模擬了滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)的瞬態(tài)流場(chǎng); 耿瑋等利用STAR-CD 軟件模擬了滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，找到了提高了壓縮機(jī)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(jī)壓縮腔的網(wǎng)格生成技術(shù)，使用CFD 軟件計(jì)算得到了螺桿壓縮機(jī)壓縮腔的三維流動(dòng)參數(shù)。

　　在渦旋壓縮機(jī)領(lǐng)域，CFD 的應(yīng)用很少，國(guó)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(chǎng)，但其只簡(jiǎn)單分析了一個(gè)月形壓縮腔的內(nèi)部流場(chǎng)，沒(méi)有使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)全面分析動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程。國(guó)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(méi)有被充分驗(yàn)證。S.Pietrowicz 等利用商業(yè)數(shù)學(xué)軟件解N-S 方程對(duì)渦旋壓縮機(jī)單個(gè)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(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，分析了流體與渦旋齒的熱傳導(dǎo)系數(shù)取值問(wèn)題。

　　本文將CFD 的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用在渦旋壓縮機(jī)流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬中，詳細(xì)闡述了CFD 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用于渦旋壓縮機(jī)流場(chǎng)仿真的實(shí)現(xiàn)方法，全面展示了渦旋壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的流場(chǎng)變化，為渦旋壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)容積腔的軸向投影如圖1 所示。

圖1 渦旋壓縮機(jī)月形壓縮腔

　　當(dāng)偏心軸推動(dòng)動(dòng)渦盤繞靜渦盤中心作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，封閉的容積腔相應(yīng)地?cái)U(kuò)大或縮小，由此實(shí)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(jī)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(duì)稱圓弧修正，排氣孔為圓形，直徑為4. 5mm，動(dòng)渦盤轉(zhuǎn)速2800r /min。

3、求解方法

　　3.1、網(wǎng)格劃分

　　從壓縮機(jī)CAD 模型中提取流體域作為計(jì)算域，為了便于計(jì)算，渦旋壓縮機(jī)形狀和排氣管都作了一定簡(jiǎn)化，網(wǎng)格劃分在ICEM CFD 軟件中完成，大約有網(wǎng)格單元14 萬(wàn)，如圖2( a) 所示。渦旋壓縮機(jī)計(jì)算域由壓縮機(jī)和排氣管兩部分組成，壓縮機(jī)由棱柱體網(wǎng)格組成，壓縮機(jī)排氣管由六面體網(wǎng)格組成，兩個(gè)計(jì)算域由交界面( interface) 連接在一起。交界面( interface) 保證了動(dòng)盤運(yùn)動(dòng)到排氣管之后不會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)格計(jì)算錯(cuò)誤。圖2( b) 為渦旋壓縮機(jī)側(cè)面剖視。圖2( c) 為渦旋壓縮機(jī)網(wǎng)格正視，由圖可見(jiàn)，渦旋壓縮機(jī)網(wǎng)格從正面看為三角形網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)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(dòng)網(wǎng)格方法的應(yīng)用。

圖2 壓縮機(jī)網(wǎng)格

結(jié)語(yǔ)

　　建立了渦旋壓縮機(jī)的三維流場(chǎng)仿真模型，用2. 5D 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)解決了渦旋盤運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，確定了簡(jiǎn)單合理的邊界條件，利用RNG k - ε 湍流模型實(shí)現(xiàn)了渦旋壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值模擬。給出了直觀、豐富的流場(chǎng)信息，可觀測(cè)到旋渦的生成、運(yùn)動(dòng)、破裂的過(guò)程，這是理論模型分析和實(shí)驗(yàn)研究所無(wú)法比擬的。這些結(jié)果為進(jìn)一步的渦旋壓縮機(jī)研究打下了良好基礎(chǔ)，為分析渦旋壓縮機(jī)等流體機(jī)械內(nèi)部復(fù)雜的湍流流場(chǎng)提供了一種新的手段。