雙吸平衡式螺桿壓縮機排氣座的數值模擬*

王小明，田青青，賀忠宇，熊國良，羅嗣驍，萬長標

(1.華東交通大學 機電工程學院，南昌 330013;2 .沈陽鐵路局，沈陽 110000)

0 引言

雙吸平衡式雙螺桿壓縮機［1］相比傳統螺桿壓縮機具有結構尺寸小;支撐件技術維護量少;無故障運行時間長;機器運轉平穩、噪聲低、振動小以及原材料消耗少、制造成本低等特點，其各種技術特性值得深入研究。

為了真實地了解該機排氣系統各環節氣流的壓力、溫度的變化情況，對其排氣座進行數值模擬是一種直觀、簡便、有效的手段。本文首先利用CFD 的滑移網格技術對雙吸平衡式雙螺桿壓縮機整機內部工作過程進行流場的數值模擬［2］，從中提取排氣座數值模擬的量值;并以不同的工況下，對壓縮機排氣座回流、渦流情況進行對比分析。為螺桿壓縮機排氣座優化設計以及工程應用提供數據與范例，具有重要的實際應用價值。

1 控制方程

1.1 流體運動的基本控制方程

流體運動要受到物理守恒定律的支配，即流動要滿足連續性方程、動量守恒方程以及能量守恒方程，如式(1)～(3)所示［3］。

對于不可壓縮流體的連續方程的表達式為

對于不可壓縮不考慮流體黏性的情況下，其動量守恒方程表達式為

將導熱系數看成常數，在無內熱源且穩態情況下。其能量守恒方程表達式為

式中u、v、w分別為速度沿x、y、z方向的速度矢量。

1.2 標準κ － ε 模型方程

標準κ－ε 模型是半經驗公式，主要基于湍流動能和擴散率，其基本方程如式(4)和(5)所示［4］。湍流動能κ 方程:

湍動能耗散率ε 方程:

式中μl為層流粘性系數;μt是湍流流粘性系數;Gk是由于層流速度梯度產生的湍流動能;Gb是由浮力產生的湍流動能;C1ε、C2ε、C3ε、σk以及σε為經驗常數，一般取C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09、σk=1.0以及σε=1.3。

2 三維建模與網格劃分

為了真實模擬壓縮機排氣口回流、渦流情況，必須對雙吸平衡式螺桿壓縮機整個系統進行數值模擬，從整機數值模擬結果中提取相關數據。由于雙吸平衡式螺桿壓縮機模型結構復雜，直接在ANSYS WORKBENCH 軟件中建模比較煩雜，本文利用PRO/E 強大的三維建模能力，將建好的模型直接以無縫連接方式導入ANSYS WORKBENCH 中。在MESH 中設置接觸面，并定義網格類型為四面體單位、最小網格尺寸為2mm 進行網格畫制，如圖1 所示。其中單元數為245076，節點數為1231727。

圖1 螺桿壓縮機整機網格劃分圖

3 邊界條件

設置進出口條件都為壓力進出口，其中進口壓力為0. 5Mpa，出 口 壓 力 分 別 有0. 8Mpa、1. 1Mpa、1.4Mpa、1.7Mpa 以及2.1Mpa 五種工況，并設置好相應的回流溫度。

壁面是用來區分solid 與fluid 區域，其中陰陽轉子的壁面設置為移動壁面，分別設置好兩對陰陽轉子的旋轉原點、旋轉軸的方向以及旋轉轉速［5-6］。除此之外，其它的壁面設置為靜止壁面。

4 結果分析

由于雙吸平衡式螺桿壓縮機兩側完全對稱的結構特性，分析出來的兩邊排氣座模擬結果完全相似，與實際情況相符。下面以壓力出口1.4Mpa 為例，從中提取一側排氣座的壓力云圖、溫度云圖以及渦動強度等多角度進行分析［7-8］，如圖2 所示，可以清楚知道排氣座內部壓力、溫度以及渦動強度分布情況。

由圖2a、2b 壓力以及溫度云圖可知，雙吸平衡式螺桿壓縮機排氣座高壓以及高溫區分布在排氣座出口的兩側壁面，從圖2c 渦動強度可以看出，排氣座的進口，即螺桿壓縮機陰陽轉子的排氣口渦動強度最大。

圖2 螺桿壓縮機排氣座的流動特性

4.1 不同壓比下排氣座內部回流、渦流分布情況

通過采用不同壓比下對螺桿壓縮機排氣座渦流、回流強度進行了模擬［9-10］。如下圖3a、3b、3c、3d 以及3e 分別為螺桿壓縮機排出壓力為0. 8Mpa、1. 1Mpa、1.4Mpa、1.7Mpa 以及2.1Mpa 時的速度矢量圖。

圖3 螺桿壓縮機排氣座速度矢量圖

通過對由圖3 比較分析，得出不同的壓比與回流強度的關系，如圖4 所示。其中橫坐標表示壓比，縱坐標表示回流強度，從圖可以看出，回流強度隨著壓比的增大而增大，增大的比例隨著壓比的增大而減小。而螺桿壓縮機排氣座的渦流強度與回流略有不同，在開始壓比不是很大的情況下，渦流強度與壓比幾乎成正比關系，如果壓比過大，軟件將停止工作模擬，這時候只有回流，而渦流也就不存在。

圖4 不同壓比與回流強度關系圖

4.2 不同轉速螺桿壓縮機排氣座回流、渦流情況

螺桿壓縮機排氣座回流、渦流強度除了與壓比有關系外，還與陰陽轉子轉速有關。通過設置排氣口壓力一定時，對陽轉子轉速分別為2000rpm、4000rpm 以及6000rpm 進行數值模擬，計算結果如圖5 所示。

圖5 不同轉速下回流強度圖

通過對不同轉速下回流強度圖進行比較分析，得到了陽轉子轉速與排氣座回流強度的關系圖，如圖6 所示。

圖6 陽轉子轉速與排氣座回流強度關系圖

由圖6 可知，壓力一定時，回流強度大約在210 -220m/s 之間，由此可知，排氣座的回流、渦流強度隨陰陽轉子轉速的變化不大。

5 結束語

通過對雙吸平衡式螺桿壓縮機排氣座的數值模擬，可以清楚的知道，在一定結構參數下平衡式螺桿壓縮機排氣座的壓力場、溫度場以及渦動強度分布情況以及在不同工況下，對排氣座的回流以及渦流情況進行具體的分析，得到排氣座回流情況與壓比以及陽轉子轉速之間的關系。

另外，螺桿壓縮機排氣座結構參數對其排氣系統的回流、渦流情況有影響，由于篇幅原因，本文不再詳細介紹。

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