基于動(dòng)態(tài)分層網(wǎng)格的空氣壓縮機(jī)流場(chǎng)特性分析

張鑒順，李波，劉之明，陸佳瑜，王超，張曉晨

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255049；2.山東泰展機(jī)電科技股份有限公司，山東 淄博 255100)

懸架系統(tǒng)是車輛的一個(gè)重要組成部分，經(jīng)典的車輛懸架系統(tǒng)由彈性緩沖元件、阻尼減振器和導(dǎo)向裝置所構(gòu)成[1]。空氣懸架是半主動(dòng)懸架的一種，其中懸架用空氣壓縮機(jī)是空氣懸架系統(tǒng)的重要組件之一。空氣壓縮機(jī)性能的好壞直接關(guān)系到汽車行駛的平順性、可靠性和安全性[2-3]。

研究空氣壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布是研究其各部件受力的基礎(chǔ)，對(duì)提高壓縮機(jī)能效具有重要意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)壓縮機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行了分析研究，其中，Min等[4]提出了滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)的幾何關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)排氣質(zhì)量流量，描述了壓縮機(jī)氣缸內(nèi)氣體的壓力、溫度和密度的變化，預(yù)測(cè)了壓縮機(jī)的制冷量;王寶龍等[5]、王輪[6]建立了渦旋壓縮機(jī)的分布參數(shù)簡(jiǎn)化模型，該模型描述了渦旋壓縮機(jī)吸氣預(yù)壓縮、壓縮泄漏以及排氣等詳細(xì)工作過(guò)程；由于獲得瞬態(tài)流場(chǎng)的變化趨勢(shì)比較困難，肖浩等[7]主要關(guān)注了活塞式壓縮機(jī)流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)模型；朱冬等[8-9]提出了一種建立氣缸二維模型的方法，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)氣缸充放氣過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。雖然通過(guò)數(shù)學(xué)模型與簡(jiǎn)化的二維模型可以用來(lái)理解壓縮機(jī)內(nèi)氣體的流動(dòng)過(guò)程，但三維瞬態(tài)仿真對(duì)于研究壓縮機(jī)氣缸內(nèi)部的詳細(xì)流動(dòng)過(guò)程是必不可少的。基于以上研究，本文提出了基于動(dòng)態(tài)分層的動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置方法，對(duì)懸架用空氣壓縮機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行連續(xù)瞬態(tài)模擬，得到壓縮機(jī)在4個(gè)工作過(guò)程氣缸內(nèi)部的壓力及氣體流速的分布，對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化懸架用空氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

懸架用空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電機(jī)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、活塞、進(jìn)排氣閥、氣缸、干燥罐等一系列部件組成。

圖1 懸架用空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

懸架用空氣壓縮機(jī)屬于往復(fù)式壓縮機(jī)，工作原理是曲柄連桿機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。懸架用空氣壓縮機(jī)的工作過(guò)程分為壓縮、排氣、膨脹、吸氣四個(gè)過(guò)程[10]。

壓縮過(guò)程是活塞在曲軸的帶動(dòng)下由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，氣缸的工作容積不斷減小，氣體壓力不斷升高，直到排氣閥打開(kāi)，開(kāi)始排氣。氣體由低溫低壓的氣體壓縮為高溫高壓氣體的過(guò)程稱為壓縮過(guò)程。

排氣過(guò)程是指排氣閥開(kāi)啟，氣體由氣缸經(jīng)排氣閥排出，經(jīng)過(guò)干燥罐排出空氣壓縮機(jī)的過(guò)程。

膨脹過(guò)程是指排氣過(guò)程結(jié)束，吸排氣閥關(guān)閉，活塞在曲軸的帶動(dòng)下由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)，氣缸工作腔容積不斷變大，氣缸內(nèi)的氣體壓力不斷減小，直到吸氣閥打開(kāi)。

吸氣過(guò)程是指進(jìn)氣閥開(kāi)啟后，壓縮機(jī)將外界氣體吸入氣缸，直到曲軸運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)，進(jìn)氣閥關(guān)閉。

2 壓縮機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 湍流瞬時(shí)控制方程

懸架用空氣壓縮機(jī)氣缸內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)屬于瞬態(tài)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，適用湍流瞬時(shí)控制方程，控制方程為

(1)

式中：P為流體微元體上的壓力；u為速度矢量；ρ為密度；t為時(shí)間；υ為湍流粘度系數(shù)；ux、uy、uz為速度矢量u在x、y、z方向的分量。

2.2 內(nèi)部流場(chǎng)建模及網(wǎng)格劃分

本文以某型號(hào)懸架用空氣壓縮機(jī)為研究對(duì)象，搭建空氣壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)模型。該型號(hào)壓縮機(jī)額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，其具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壓縮機(jī)模型參數(shù) 單位：mm

根據(jù)壓縮機(jī)的具體參數(shù)，利用三維軟件建立空氣壓縮機(jī)氣缸流體模型，將氣缸內(nèi)部流場(chǎng)模型分為三個(gè)部分：進(jìn)氣閥，氣缸，排氣閥。將模型導(dǎo)入Fluent，運(yùn)用Mesh模塊對(duì)流體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)氣缸進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)選擇多區(qū)域網(wǎng)格，氣缸、進(jìn)氣閥選擇六面體網(wǎng)格，排氣閥處流體邊界復(fù)雜選擇四面體網(wǎng)格，分塊網(wǎng)格的劃分保證了仿真計(jì)算的精度。圖2為氣缸的網(wǎng)格劃分模型。

圖2 氣缸工作腔網(wǎng)格劃分模型

2.3 流體邊界條件設(shè)置

在對(duì)空氣壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬時(shí)，首先需要對(duì)其邊界條件和初始條件進(jìn)行設(shè)置。將計(jì)算模型設(shè)置為瞬態(tài)，流體材料設(shè)置為空氣，湍流模型取標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型，壁面設(shè)為絕熱無(wú)滑移。

在Fluent中選擇求解器，用有限體積法控制網(wǎng)格的離散，氣缸求解算法選擇隱式PISO算法；微分離散格式選擇Green-Gauss Node Based；離散格式、湍流脈動(dòng)能量采用二階迎風(fēng)格式，湍流耗散率采用一階迎風(fēng)格式。

關(guān)于活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置，在Fluent中直接采用動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置中的In-cylinder模塊模擬活塞運(yùn)動(dòng)。動(dòng)網(wǎng)格類型設(shè)置為動(dòng)態(tài)分層，選擇動(dòng)態(tài)分層能夠降低出現(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格的概率。用Scheme文件定義進(jìn)排氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉。隨后對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定：氣缸進(jìn)口邊界設(shè)置為壓力進(jìn)口，壓力值為0；出口邊界設(shè)置為壓力出口，壓力值為1.5 MPa。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 壓力分布規(guī)律

通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)氣缸In-cylinder模塊的設(shè)置，對(duì)壓縮機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)模擬，壓縮開(kāi)始時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角為0°，曲軸轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)過(guò)360°完成一次循環(huán)，選取壓縮機(jī)一次循環(huán)為研究對(duì)象，選取氣缸的中心截面對(duì)氣缸流場(chǎng)進(jìn)行壓力分析。壓縮機(jī)工作過(guò)程氣體壓力分布如圖3所示。

(a)壓縮過(guò)程

圖3(a)為壓縮機(jī)壓縮過(guò)程的氣體壓力分布，壓縮過(guò)程中活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)的流體區(qū)域不斷減小，氣缸內(nèi)的氣體不斷被壓縮，氣缸內(nèi)氣體壓力不斷增加。可以看出，壓縮過(guò)程中，活塞端面處流體區(qū)域壓力要高于排氣閥處的壓力。隨著氣缸內(nèi)體積減小，壓力不斷增加，當(dāng)氣缸內(nèi)的壓力達(dá)到排氣壓力時(shí)，排氣閥打開(kāi)，氣缸內(nèi)的氣體由氣缸經(jīng)排氣閥排出。

圖3(b)為壓縮機(jī)排氣過(guò)程的氣體壓力分布，可以看出，壓縮機(jī)排氣過(guò)程中氣體由氣缸經(jīng)排氣閥排出，此時(shí)排氣閥口處的氣體壓力是低于氣缸內(nèi)的壓力的，這是因?yàn)榍S帶動(dòng)活塞繼續(xù)從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，活塞壓縮的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體排出的體積，氣缸內(nèi)空氣的壓縮量遠(yuǎn)大于排氣量，所以氣缸內(nèi)的壓力還在不斷增加。但隨著氣體的不斷排出，氣缸內(nèi)的壓力在短暫升高后下降，直到排氣過(guò)程結(jié)束。

圖3(c)為壓縮機(jī)膨脹過(guò)程的氣體壓力分布，壓縮機(jī)在膨脹過(guò)程中進(jìn)排氣閥是關(guān)閉的，壓縮機(jī)氣缸處于密閉空間。可以看出，隨著活塞向下止點(diǎn)移動(dòng)，氣缸的容積不斷變大，此時(shí)氣缸內(nèi)的壓力不斷減小，排氣閥口位置的氣體壓力要高于氣缸內(nèi)氣體壓力。隨著氣缸內(nèi)壓力不斷減小，直到低于吸氣閥的開(kāi)啟壓力，氣閥開(kāi)啟。

圖3(d)為壓縮機(jī)吸氣過(guò)程的氣體壓力分布，此時(shí)進(jìn)氣閥打開(kāi)，氣體進(jìn)入氣缸，沿氣缸壁直沖而下，沖擊到氣缸底部，因此氣缸底部的壓力較大，但同時(shí)由于氣流的沖擊導(dǎo)致氣缸內(nèi)產(chǎn)生渦旋，渦旋部分壓力較低，氣缸內(nèi)壓力分布不均。

通過(guò)對(duì)空氣壓縮機(jī)工作過(guò)程壓力場(chǎng)的分析，在膨脹和壓縮過(guò)程氣缸內(nèi)壓力分布均勻；吸氣與排氣過(guò)程中由于氣閥的開(kāi)啟，氣體的流動(dòng)導(dǎo)致氣缸內(nèi)壓力分布不均。

3.2 速度分布規(guī)律

速度場(chǎng)是分析壓縮機(jī)能效的一個(gè)重要因素，在對(duì)氣缸流場(chǎng)的模擬中，對(duì)速度場(chǎng)的分析是必不可少的。壓縮機(jī)工作過(guò)程氣體流速分布如圖4所示。

圖4(a)為壓縮機(jī)壓縮過(guò)程的氣體流速分布，在氣缸的壓縮過(guò)程中，氣缸的吸排氣閥都未開(kāi)啟，活塞在曲軸的帶動(dòng)下由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng)，此時(shí)空氣受到擠壓，在活塞的推動(dòng)下流速不斷提高。但由于空氣處于一個(gè)密閉的空間內(nèi)，氣缸內(nèi)各部位的流速差別不大，流速分布呈分層分布，可知靠近活塞端面流速較大為2.845 m/s，氣缸底部流速為0。

圖4(b)為壓縮機(jī)排氣過(guò)程的氣體流速分布，可以看出，排氣閥開(kāi)啟，氣缸內(nèi)的氣體流出，排氣管道內(nèi)的流速迅速增加。此時(shí)排氣過(guò)程中，氣缸內(nèi)的流速要低于排氣管道內(nèi)的流速，這是因?yàn)榛钊麎嚎s氣體的體積要大于排氣閥排出的氣體體積，可以看出氣缸內(nèi)流速為16.81 m/s，氣缸與排氣閥交界處最大流速為168.1 m/s，排氣過(guò)程氣缸的流速分布不均勻，排氣閥處氣體流動(dòng)劇烈，氣流脈動(dòng)較大。

(a)壓縮過(guò)程

圖4(c)為壓縮機(jī)膨脹過(guò)程的氣體流速分布，此時(shí)活塞在曲軸的帶動(dòng)下，從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)進(jìn)排氣閥也是關(guān)閉的，隨著氣缸工作容積的變大，氣缸內(nèi)氣體的膨脹導(dǎo)致氣缸內(nèi)氣體的流速降低。由于在排氣管道內(nèi)的氣體壓力高，在氣缸工作容積變大的情況下，氣體由高壓區(qū)域向低壓區(qū)運(yùn)動(dòng)，膨脹過(guò)程中最大速度為4.503 m/s。氣缸其他位置流速分布均勻，且流速變化范圍不大。

圖4(d)為壓縮機(jī)吸氣過(guò)程的氣體流速分布，吸氣過(guò)程中活塞隨著曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，氣缸容積不斷增加，缸內(nèi)壓力不斷減小，直到進(jìn)氣閥開(kāi)啟，氣體進(jìn)入。可以看出，進(jìn)氣閥開(kāi)啟，空氣直流向下，氣缸內(nèi)氣體流速迅速升高。氣缸內(nèi)除進(jìn)氣閥口區(qū)域外其他位置流速較低，最大速度出現(xiàn)在進(jìn)氣閥口區(qū)域，最大流速為185.4 m/s。

通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)速度場(chǎng)的分析，可以得出在壓縮與膨脹過(guò)程中氣體流速分布均勻；在吸氣與排氣過(guò)程中，氣體流速變化大，氣體的最大速度出現(xiàn)在閥口處。此外吸排氣過(guò)程中氣體產(chǎn)生渦旋，加劇氣缸流場(chǎng)的壓力損失。因此在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意閥口的設(shè)計(jì)，減少壓力損失。

4 結(jié)論

1)提出了一種基于動(dòng)態(tài)分層的動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置方法，通過(guò)采用多區(qū)域網(wǎng)格劃分法，提高了模型的計(jì)算精度；設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格及Scheme文件，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)工作過(guò)程的連續(xù)瞬態(tài)模擬。

2)壓縮機(jī)在壓縮與膨脹過(guò)程中壓力與速度分布均勻；吸氣過(guò)程氣缸內(nèi)壓力分布不均勻，氣體最大流速為185.4 m/s，最大流速出現(xiàn)在吸氣閥位置；排氣過(guò)程氣缸內(nèi)壓力分布不均勻，氣體最大流速為168.1 m/s，最大流速出現(xiàn)在排氣閥位置。相關(guān)成果為某型號(hào)空氣壓縮機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。