三维排放涡旋空气压缩机流动数值模拟Jian Mei Feng, Zong Chang Qu, Xin Wei Lin能源与动力工程学院中国西安交通大学，西安710049E- mail地址：jmfeng@zchqu@lxw5837@概述涡旋压缩机在传统压缩机行业里被公认为有较高的竞争力。

大量的出版物极有兴趣的证明了这一点。

在流动损失效率得到进一步提高的同时，特别是在最后的压缩区和排放区，流动损失更是大大地被减少。

详细了解流动过程中发生在排放区的流动损失是分析和减少排放流量损失的有利条件，这对减少严重损失是非常必要地。

由于过程的复杂性，只有一个方法可以解决连续性和动量方程，那就是采用数值计算方法。

在过去的10年里，进行了一些对涡旋压缩机的性能的调查。

不过，对流体流动特性的细节的讲解的资料是相对很少的，尤其是在涡旋压缩机室。

在本论文中，应用物理模型对实际的涡旋空气压缩机排放区的放电过程中的一个特点，作出合理的简化和三维准稳态湍流数值模拟。

通过对排放区出口端的三维速度和压力分布进行典型流动分析，我们可以对涡旋空气压缩机的物理过程有深入地了解。

1. 引言涡旋压缩机广泛应用于制冷，空调及电力领域，其竞争优势是在于它的高效率，和能够减少部分损失的要求，降低噪音，减少振动水平。

三维模拟涡旋压缩机的运行，如：移动动涡盘的轨道、摩擦损失和流动阻力损失等各种损失。

这些损失是该排放流量（由于流动损失约消耗百分之3的输入功率）的主要部分，特别是在大流量过程中。

在流动过程中存在放电现象，因此在最后压缩地区要减少这些流动亏损，尤其是在速度增加的大流量区域更明显。

因此，在涡旋空气压缩机顶部进行三维放电数值模拟是十分有必要的。

最重要的流动模式，是在排放和最终压缩区。

尤其是在大流量涡旋压缩机排气口务必要根据分析结果，来为寻找供应来源的排放所造成的损失进行理论分析和设计。

本文研究的对象是一个1.6 的涡旋空气压缩机的排放量。

最重要的理论研究对象是对对称弧和排放区的修改和整定。

基本参数和修改后的提示参数列于表1。

示意图1显示了涡旋压缩机的排放区域。

表1：基本参数和修改后的参数图1：涡旋压缩机排放区示意图。

2. 物理模型与数值方法2.1 物理模型这种气体通过涡旋齿的“压缩运动”而提供动力，而涡旋齿的这种运动可以在涡旋压缩机的工作腔内对可压缩性粘性非定常流的气体进行压缩。

由于高转速和附近的靠近腔壁的速度梯度，所以气体的湍流特性必须加以考虑。

但绕壁速度比较小的气体速度，例如，在腔壁上的速度大约是百分之5的气体速度是本文研究空气压缩机排放的平均速度，因此它必须在准稳态的环境下，并且有固定的流场。

也就是说，忽略轨道流动的腔壁运动是有道理的。

因此，进行三维稳态湍流计算分析，是对压缩区和排放区流场的预测和分析。

在涡旋压缩机中空气是从两个方向注入到压缩腔内的，并且两侧各有曲柄角度。

不同的体积流量在不同曲轴的排放过程中显示的数字在一定的曲柄角度是不一样的，曲柄角度如图2。

图3显示了一个计算模型的角度。

图2：排放量与轨道曲轴转角的关系图3：三维计算模型2.2 数值方法湍流流动中存在着已经被公认、和经常应用的k -x湍流模型。

应用离散方程，和有限体积法可以解决湍流模型。

通常采用SIMPLE算法以纠正压力系数。

附近的腔壁，通过改进方法，可以求得腔壁函数。

对于对流项和扩散项的离散格式可以采用二阶求导式和中心差分格式。

数值模拟（2001）显示了离散化方法的细节。

在对计算域的几何特点进行的分析可以看出，整个域的不同部分的几何尺寸相差是很大的;用分割块结构网格的方法来使全域网分成几个部分，其中排放产生的分离是可以在坐标网格系统中求得（Thompson J.F., et al., 1985）。

总体网格是通过电网的独立精细计算结果来确立的。

在不同的计算过程中曲柄角度是不同的，所以产生了网格分开。

边界条件如下所示：(a) 进口每两个入口质量流率是相同的，瞬时体积变化率是成倍增加的。

(b)出口出口的位置设置在远离排放区的5倍的高度，以保证恒定的压力。

排放压力提供了出口压力。

(c)腔壁非滑移边界条件为腔壁的速度提供了条件。

先进的腔壁函数法用来确定腔壁附近的速度条件。

3. 数值结果在本文中，被定义为轨道排放曲轴转角。

在排放气体的时刻，即曲柄角度y =45（是排放曲轴角度），y为零。

然后，在整个排放过程中，是从0到360度变化。

根据这一定义，例如，在排放后曲轴转角为45度角时，这时x= 45 。

本文为了描述方便，在z坐标等于零的位置定义为排放区的进口，并以固定滚动表面的名字命名。

在z坐标位置等于涡旋齿的高度时，以固定滚动顶面的名字命名。

中心流场和中心腔在几个不同区域的流量的曲柄角度为45，90，180度，本文只对曲柄角度为90度和180度进行了研究。

并且对不同的轴向速度矢量和三维速度向量进行了详细分析。

3.1 y = 45在图4（a）-（c）中显示的是不同的轴向速度场的计算结果，但其在轨道排放上的曲轴错角都为45度角。

图4表明，当流速以一半的速度注入在腔壁中央后方时，这种情况就不成立，因为流速在轨道上流动时是以固定的方式流动的，对腔壁区域有反流动趋势。

在中部区域，流体从半流动状态进入腔壁中央室，通过固定的轨道以及在流动所形成的惯性推动力的作用下在喉咙地区传递。

对于两项大型涡旋压缩机中外表面和腔壁中央室的发展规模已经有所壮大，而小型压缩机在其动涡盘的中心的发展方向也有了一定的规模。

比较图4（1）、（b）、（c），结果表明，随着涡旋流轴节的位置、数量、规模以及动涡盘涡的位置的不同，所显示的轴节也就不同。

这就是说这个基本涡流动态模式在这一区域是仍然存在的，特别是在整个腔壁中央室的轴向流动过程中。

三维速度向量如图5所示，清楚表明了轴向速度分量的分布。

三维涡流趋于垂直向下移动，因为它在接近腔壁中央室是直接排放流体的。

轴向速度分量是在0 - 10mm这一小的区域内变化，并且在排放区等于轴向距离（当轴向距离的高度为52mm时非常大）。

在数量级上轴向速度比径向速度更大。

与此相反，在腔壁中央室后方区域内，流动基本上是二维的。

从图4和图5可以看出，在某一节中的轴向速度向量图刻画了在整个腔壁中央室中的流体流动的一般性质。

证明流动载体无论是二维的还是三维的模型，其都在具体位置上具有流动性。

因此，现仅对中期的速度矢量做以下分析。

图4：不同的轴向速度场位置图5：三维速度矢量3.2 y= 90在上面的计算中已完成了一个中间曲柄角度（y = 90 ）。

如图6所示。

随着涡旋压缩机实际排放过程的持续，流体继续从固定的轨道流动。

这一过程是在排放区域逐步增加的基础上实现的。

这意味着该排放口在低排放情况下比y =45 的情况下更低。

在另一平面中和排放区域速度矢量的轴向部分比y =45 在速度和程度上都有不同的减少现象。

对于双涡旋我们假意预测，在曲柄转角和中间轴方向上涡流速度得到提升后，有可能成为漩涡。

图6：不同的轴向速度场位置3.3 y= 180图7（a）- （b）显示的是在排放过程中曲柄转角为180度的情况下的速度矢量。

图中所作出的速度矢量场，显然是与图4和图6所示的有所不同的。

此时的涡旋涡轮在排放时时完全打开的。

此外，流体流动面积较少的区域的有的流体流出通道，使速度幅度进一步降低。

在腔壁中央室里，速度向量场发生小规模的湍动，形成漩涡。

图7：不同的轴向速度场位置4. 无量纲压力损失系数无量纲压力损失系数能够表征最后压缩区和排放区的压力损失情况，其定义如下：P是在中央腔的平均压力，单位为Pa; Pd是设计流量的压力，单位为pa。

压力损失的变化与排放过程中曲轴的不同转角有关，并且在不同的操作条件还与整个排放过程的无量纲压力损失系数有关。

如图8所示。

压力损失系数在曲轴转角为0-60度的情况下是非常大的。

举例来说，在45度曲轴转角时的压力损失系数约为10倍于180度的压力损失系数，这表明流动损失在排放转角小时最多。

这个结果并不令人惊讶，因为这也是该排放区域的最大收缩流动点。

此外，在高转速情况下，证实排气压力有显着的流量损失存在。

随着排放区域的开启，压力损失系数迅速下降。

结果表明，排放区的开启加快了排放流量损失。

此外，这些结果意味着，排放区开闭的特点，应在设计时要特别的考虑，特别是一个有着大流量的排放区的压缩机。

想要获取好的排放效益，好的排放区设计是必须的。

另外，排放区的面积不是越大越好的。

图8：无量纲压力损失与轨道排放系数曲轴转角5：结论在对涡旋空气压缩机排放流量进行了三维数值模拟以后，可以为我们提供最后的压缩区和排放区的流场特性。

本文也详细分析了在不同曲轴转角下流速向量。

计算结果表明，复杂的旋涡流动状态存在于排放区不同的曲轴转角上。

在计算结果的基础上，分析了压力损失系数的定义和不同的压力损失在不同的曲柄角度下的模拟数值计算。

结果表明，排放流量大的压力损失系数也越大。

结果也同样表明，排放区的特点是排放面积不是越大越好。