【流体机械专栏】考虑簧 片阀耦合的往复活塞压缩机三维瞬态CFD分析

首先从压气机的装配模型中提取流体域，包括所有的进出口以及真实的阀片几何形状，如图2所示。

对于非运动部件区域，使用Simerics二叉树网格生成器创建了一个非结构化的三维六面体笛卡尔网格。下面将进一步介绍出口阀，吸入阀和活塞室的动网格设置。

排气阀网格通过Simerics专有的阀模板网格创建。模板生成一个考虑阀门可能运动路径的结构网格，在模拟过程中适当地对网格进行变形以适应阀门的运动，如图4所示。

往复式压缩机运行过程中，由于吸入阀打开进入压缩室，吸入阀和活塞头的扫掠体积会重叠，需要在Simerics中实施网格变形算法。分别创建阀门和压缩腔室的初始网格，并使用隐式网格界面连接。在压缩机的运行过程中，活塞的运动是确定的，但阀门运动是由压缩机动态决定。为了保证精确捕捉两种运动，定义了两个网格变形区域。如图5所示:用Zone1变形捕捉阀运动，而Zone 2变形捕捉活塞运动。两个区域用黄线区分，在模拟过程中根据吸入阀与活塞的分离情况自动更新其分离位置。

吸入簧 片阀如图6所示:它由一块薄金属片制成，一端固定，另一端自由。该阀门将在流体作用下弯曲，为流体流动创建开口。由于簧 片阀与活塞压缩机的强耦合性，且簧 片阀的转动惯量小，因此簧 片阀与活塞压缩机的耦合成为一个非常棘手的刚性流固耦合系统。本方案中吸排气阀被建模为刚性簧 片阀，采用等效刚体旋转实现阀的弯曲运动。

阀门的动力学问题使用以下常微分方程求解：

Θ是由阀门关闭位置起的阀门开启角度，I是转动惯量，C是旋转摩擦力，k是扭转弹簧系数，τ是流体力扭矩，t是时间。

本案例为Tecumseh公司的工业往复式活塞压缩机，以论证前面章节所述方法的可行性。利用制冷剂R134a的真实气体特性进行了模拟，R134a的所有特性：密度、粘度、热容量和电导率都被认为是压力和温度的函数。

设定活塞的运动方程为：

式中r1是曲柄偏心长度，r2连杆长度，e是偏心直径，活塞的转速是ω，设定为每分钟3600转。模型边界条件设置如图7所示。

对压缩机进行瞬态仿真，通过吸排气阀的两个截面，得到不同曲柄角下压缩机内部压力如图8所示。从图中可以看出，在0˚，活塞处于下止点中心，吸气阀处于微开状态(即将关闭)，排气阀处于关闭状态。在接近上止点165˚，压缩腔室处于高压状态，排气阀开启。当活塞在270˚和300˚完成吸气行程过程中，室内压力下降，吸气阀打开。压缩机内部的温度如图9所示。可以看出，随着活塞越靠近上止点，腔内温度升高，但在吸气冲程中温度保持较低状态。

压缩机P-V图如图10所示。同时也给出了过压和欠压状态的吸排气压力。欠压区和过压区分别代表吸排气过程中消耗的能量，用P-V图可以求出压缩机的效率和功率消耗。在活塞上止点处，活塞和气缸盖之间的间隙为100微米，这个小的中止体积反映在P-V图上。

图11绘制了模型预测的吸、排气阀开度随腔体体积的变化。可以看出，结果在循环中是周期性的，排气阀在循环中压缩半段的最后30度左右打开，在吸入冲程开始时关闭。在吸气行程中，吸气阀在上止点后约40度左右开启。吸气阀在吸入冲程中呈现出阀门颤振，并在压缩冲程中30度以后关闭。一般情况下，可以看到，由于固定器的存在，排气阀的运动具有刚性，这使得它的开启度小于吸气阀，关闭也更快。吸气阀有一个较低的刚度，因此可以有更高的开启，也表现出一个缓慢的阀振荡。

图12为吸排气流量，正如预期的那样，流量与阀门开度角非常吻合，排气流量以尖峰的形式出现，而吸气流量沿吸入冲程分布更加均匀。另一个需要注意的重点是，当阀门关闭时，流量为零，因为Simerics能够使阀门完全关闭，当动力学预测阀门完全关闭时，模型中阀门和阀座之间的间隙基本上为零。

本文提出了一种新的往复活塞压缩机三维CFD瞬态仿真方法，可以用于指导工业设计。

1. 压缩机的模拟包括压缩腔与吸排气阀的全耦合FSI模拟，不因简化而结果失真；

2. 采用阀模板网格对进排气阀进行网格划分，采用网格变形算法解决吸气阀、活塞扫掠体积干扰问题；

3. 所开发的方法在一个工业Tecumseh往复压缩机上进行了验证，仿真结果和预测的阀门运动合理；

4. 基于模板建模，易于使用，仿真周期快，使其成为设计和分析往复式活塞压缩机系统的有力工具。

文章来源：合工仿真