基于跨尺度动网格模型的迷宫压缩机中动态泄漏特性研究

基于跨尺度动网格模型的迷宫压缩机中动态泄漏特性研究温杰;王玲子;彭学院【摘要】运用计算流体动力学方法对迷宫活塞压缩机迷宫结构的泄漏过程进行了动态仿真模拟,采用耦合的方法解决跨尺度网格接触面的问题,用动网格技术实现了压缩机活塞的运动.将数值模拟结果与试验结果进行对比分析,结果表明:随着压比的增加、转速的减小、余隙容积的增加,相对泄漏量增加;随着压比的增加、转速的增加、余隙容积的增加、绝对泄漏量增加.【期刊名称】《压缩机技术》【年(卷),期】2019(000)002【总页数】6页(P1-6)【关键词】迷宫活塞压缩机;跨尺度;动网格;泄漏量【作者】温杰;王玲子;彭学院【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安 710049;西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安 710049;西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安 710049【正文语种】中文【中图分类】TH4571 引言迷宫压缩机是指活塞与气缸壁、活塞杆与填料之间采用非接触式迷宫密封技术的一种新型压缩机。

迷宫压缩机不存在填料密封环、活塞环等摩擦产生的碎屑对气体的影响，并且对于混入介质的杂质不是很敏感，但迷宫间隙处的气体泄漏情况很严重[1]。

迷宫间隙处的气体泄漏是影响迷宫压缩机性能的重要因素。

目前对迷宫密封的性能分析，多数集中在旋转机械中的迷宫密封[2]，而针对往复活塞式迷宫压缩机迷宫密封的研究较少，且主要以讨论齿型参数为主[3-6]。

并且大多数学者仅研究少数几个迷宫腔，而少有对整段活塞迷宫结构的研究[7]。

另外，大多数针对迷宫压缩机的迷宫性能的分析局限于静态网格下气体流过密封齿槽间的能量耗散[8]。

这些方法容易忽略一些影响迷宫密封的因素，例如：压比、转速、余隙容积的改变。

本文基于FLUENT，采用跨尺度动网格技术，研究压比、转速、余隙容积等因素对迷宫压缩机泄漏量的影响，分析迷宫压缩机的动态泄漏特性，为迷宫压缩机的设计提供理论依据。

2 数值模拟方法2.1 几何模型的建立本文针对实验室中一台单作用迷宫压缩机，该迷宫压缩机的气缸直径为150 mm，活塞行程为120 mm，活塞长度为100 mm,活塞的偏心为0 mm，余隙容积为11.7%。

迷宫齿形为底部带圆弧的三角形齿，迷宫的密封间隙为0.15 mm。

迷宫腔的宽度为1.5 mm，深度为1 mm，齿厚为0.5 mm。

考虑到活塞杆对迷宫密封性能的影响微乎其微，故在模型中去掉活塞杆，将模型进行简化，建立迷宫压缩机的二维模型。

迷宫压缩机的二维数学模型如图1所示。

迷宫间隙的局部放大图如图2所示。

2.2 网格划分迷宫压缩机内流场计算区域复杂，各个区域之间的尺寸相差悬殊，不适合直接对整个压缩机的网格进行划分。

如迷宫区域最窄的间隙通道仅为0.15 mm，气阀通流区域的阀片打开高度也仅为1.4 mm，而压缩腔以及进排气阀腔，其高度都在300mm左右。

因此在模拟中，应用了分区画网格的方法，如图3所示，迷宫间隙区域的网格划分较细，约为0.02 mm，而对于气阀通流区域，则设置为0.5 mm，到了压缩腔以及气阀余隙容积，用1 mm的尺度划分网格，至于两侧进排气阀腔的宽广区域，则设置为5 mm，以简化计算量。

各个部分单独画好网格后，在FLUENT中通过设置interface将各个面进行耦合，保证数据传输，由此可形成完整而连通的整体结构，同时又能最大程度的优化网格，以及节省计算时间。

图1 迷宫压缩机的二维数学模型图2 迷宫的局部放大图图3 网格划分情况2.3 动网格设置为了能够对压缩机的往复活塞运动进行模拟，需要在FLUENT中对网格再生方式以及边界的运动进行指定。

本文采用的铺层法参数设置为：假设原始网格的尺寸为1，分裂因子设置为0.4（当网格长度大于1.4时，最底部网格进行分裂），收缩因子设置为0.04（当网格长度小于0.04，将底部两层网格进行合并）。

图4所示为活塞处于不同位置时的网格情况。

2.4 计算方法与边界条件气体在流动过程中满足湍流N-S方程，且考虑到迷宫各个腔内均有旋流场，故采用realize k-ε模型对运动方程中的湍流脉动项进行处理。

采用PISO算法对连续方程、动量方程以及能量方程进行求解，以对动网格问题进行模拟。

为了节省计算时间，各个运算方程仅控制在一阶计算精度。

在计算中根据在特定的曲轴角度下打开进气阀与排气阀，以控制进排气。

边界条件的设置结合实际情况，以大气压作为低压端压力入口处总压，根据排气压力温度设置高压出口静压，速度为0。

入口处温度设置为环境温度300 K，高压出口处温度为根据实际经验及压比情况设置为300～330 K之间。

气缸外壁面设置为恒温壁面，认为其保持300 K温度。

图4 活塞运动时的网格情况2.5 计算结果图5 所示为迷宫内流场的速度分布情况。

流体通过迷宫间隙时速度较高，但当靠近活塞流动的流体到达面积较大的迷宫腔体时，流体在迷宫腔体内形成旋转流动，形成顺时针的漩涡，动能被耗散。

但气缸壁面附近的流体流动时基本不受腔体的影响，直接在间隙内沿着通道向前流动，这种现象被称为动能载越效应。

3 实验装置本文搭建了迷宫活塞压缩机动态测试实验台，通过对比实验测得的气体泄漏量与数值模拟计算得到的泄漏量的差异，验证数值模拟结果的正确性与可靠性。

图6为迷宫压缩机实验系统图，主要包括变频器、电机、迷宫压缩机、储气罐、喷嘴流量计和压力采集系统。

迷宫压缩机通电后进行气体压缩，压缩后的一部分气体通过排气阀流入排气储气罐中，压缩后的另一部分气体则经过活塞和气缸间的迷宫通道泄漏出去，将泄漏的气体收集在另一个储气罐中，储气罐后接喷嘴流量计来测量泄漏的气体流量。

压力采集系统则负责采集气缸内和泄漏处的动态压力。

实验中通过调节变频器控制迷宫压缩机的转速，通过调节排气储气罐后的阀门来控制排气压力。

实验所用的压缩机为特制的单作用迷宫活塞压缩机。

图5 迷宫内流体速度分布图7及图8为实验用迷宫压缩机与其结构图。

4 结果分析与讨论本文中将迷宫压缩机的绝对泄漏量与理论质量流量的比值定义为相对泄漏量，以此表征泄漏的程度。

实验中通过调节排气压力和频率得到不同压比和转速下迷宫活塞压缩机相对泄漏量，在数值模拟中则相应的改变出口压力和活塞转速。

将模拟与实验结果进行对比，结果如图9、10所示。

从图9、10可以看出，实验和数值模拟计算得出的相对泄漏量随转速与压比变化的趋势相同，其中不同压比下平均误差为5.8%，不同转速下平均误差为8%，在误差允许的范围内。

本文将采用此数值模拟方法进一步研究迷宫压缩机的压比、转速、余隙容积和活塞偏心对绝对泄漏量和相对泄漏量的影响。

图6 动态实验系统图图7 实验用迷宫压缩机图8 实验用迷宫压缩机结构图图9 实验与模拟结果在不同压比下的比较4.1 压比由图11可看出，随着压比的升高，绝对泄漏量和相对泄漏量基本都呈线性增加。

平均压比每增加0.5，绝对泄漏量增加约2.2%，绝对泄漏量增加11.76%。

迷宫两侧的压差是迷宫间隙泄漏的主要推动力，是影响迷宫泄漏的主要因素。

4.2 转速图10 实验与模拟结果在不同转速下的比较由图12可看出，转速从500 r/min增加到1 000 r/min时，压缩机的绝对泄漏量变化很小，只是略有增加，但相对泄漏量呈明显下降的趋势。

可见随着转速的增加，迷宫压缩机的密封性能越好。

由于活塞速度相对于流体在迷宫间隙的流速太小，活塞速度的变化对流场情况影响不大，故转速的增加对绝对泄漏量几乎没有影响，但随着转速的增加，压缩机的进气量增加，导致相对泄漏量下降。

图11 泄漏量随压比的变化曲线图12 泄漏量随转速的变化曲线图13 泄漏量随余隙容积的变化曲线图14 相对泄漏量随活塞偏心度的变化曲线4.3 余隙容积由图13可得，相对泄漏量与绝对泄漏量都随着余隙容积的增加而增加。

当压缩机的余隙容积从11.7%增加到20.06%时，相对泄漏量增加了10%左右，绝对泄漏量也增加较多，说明余隙容积对泄漏量的影响比较大。

这是由于压缩机在余隙容积的膨胀过程中，余隙容积越大，迷宫腔两侧就会更长时间维持在一个压差较高的状态下，从而导致泄漏量增加。

4.4 活塞偏心度本文将活塞偏离原正中心的程度定义为偏心度e其中Δe——活塞偏心距δ——迷宫间隙由图14可看出，随着偏心度的增加，相对泄漏量增加，但是当增大到一定程度时，即偏心度大于80%时，相对泄漏量的变化较为平缓甚至有下降趋势。

当偏心度约为67%时，对迷宫密封的泄漏影响最大。

5 结论本文应用数值模拟方法，分析了迷宫往复压缩机的压比、转速、余隙容积和活塞偏心度并对其绝对泄漏量和相对泄漏量的影响。

为了验证数值模型的正确性和可行性，建立了动态测试实验台，结果表明，实验结果与数值模拟结果吻合较好。

结论如下：（1）在一定的条件下（相同的转速，余隙容积、活塞偏心度），随着压比的升高，相对泄漏量与绝对泄漏量近似呈线性增加，这是由于迷宫两侧的压差是迷宫间隙泄漏的主要推动力。

压比每增加0.5，相对泄漏量增加约2.3%，绝对泄漏量增加11.76%。

（2）活塞速度相对于气体的流速而言很小，故活塞转速的改变对泄漏的影响很微小。

但是进气量随转速的增加而增加，导致相对泄漏量随着转速的增加而降低。

（3）余隙容积从11.7%增加到20.06%，相对泄漏量增加了10%，绝对泄漏量也同样增加了。

相对泄漏量随着偏心度的增加先增加后趋于稳定。

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