应用动网格技术模拟滚动转子压缩机的流动特性

摘要

滚动转子压缩机在家用空调和冰箱领域的应用十分广泛，目前中国已经成为该类压缩机的生产制造基地和研究开发的前沿阵地。在世界能源危机和气候恶化的大环境下，以及对舒适性要求，提高效率、降低噪声是摆在制冷压缩机研究和工程人员面前的重要课题。本文着眼于制冷剂在压缩机内流动的物理过程和现象，采用CFD通用软件ANSYS-CFX平台并通过对变形区域网格节点坐标的控制，研究建立了包含泵体和气液分离器流动区域的复杂空间上的可压缩湍流流动模型，并在此基础上采用分离涡模拟(DES)方法实现了对制冷剂波动现象的模拟。数值计算结果与试验数据对比验证了方法和模型的可靠性。
　　本文对泵体流动过程的研究发现在气体压缩过程中，转子推动气体产生压力扰动，压力扰动在流动空间内传播时产生冲击以及旋涡流动等现象，受几何空间的阻碍或影响旋涡流动主要形成于压缩腔底部和靠近滑片壁面区域，是泵体内主要的气流噪声源。另外，排气时排气腔内的压力梯度指向排气口部，排气腔下部压力较高。分析认为排气孔部的形状、大小，特别是位置对压缩过程的旋涡流动和排气时的压力梯度都有显著影响。
　　本文分析了气液分离器内的流动过程，泵体容积变化率的周期性变化和气液分离器流动阻力的存在使气液分离器内的压力产生周期性波动，波动过程的实质是势能和动能的相互转化。流动阻力对压力周期性波动的影响也对容积效率有显著影响，是提高压缩机容积效率的因素;而流动损失主要是能量转化过程的损耗，在如壁面加热等其它因素的作用下对指示效率的影响不明显。
　　基于对压缩机内流动特性的研究，本文提出了在气缸上设置排气孔的排气结构，与现有结构相比具有更小的余隙容积和流动损失，数值计算的结果支持该排气结构在显著提高压缩机效率的同时对改善压缩机的气流噪声也有显著的积极效果。
　　本文还对流动过程中的间隙泄漏、余隙容积内气体的膨胀流动、吸气口部的回流现象、吸气腔内的温度分布、湍流涡团的分布等现象进行了观察，分析了这些现象对压缩机效率和气流噪声的影响。尽管目前的研究工作还有需要改进和完善的方面，但对提高滚动转子压缩机的研究水平和工作性能还是具有重要的现实意义的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 空调用滚动转子压缩机的历史、发展和现状

1．2 课题研究的背景与意义

1．3 滚动转子压缩机的流动研究

1．3．1 滚动转子压缩机的理论基础

1．3．2 实验研究

1．3．3 计算流体力学(CFD)

1．3．4 滚动转子压缩机流动研究存在的问题

1．4 本文的主要研究工作

第2章 旋转压缩机性能及CFD理论基础

2．1 压缩机主要性能

2．1．1 理论循环

2．1．2 容积效率

2．1．3 压缩机效率

2．1．4 压缩机噪声

2．2 实验方法与设备

2．2．1 实验方法与条件

2．2．2 实验设备

2．3 计算流体力学(CFD)理论基础

2．3．1 流动控制方程

2．3．2 湍流模式

2．3．3 定解条件

2．3．4 数值方法

第3章 滚动转子压缩机泵腔内流动的数值分析

3．1 滚动转子压缩机泵腔内流动的数值模拟方法

3．1．1 流动模型的简化

3．1．2 流动区域及计算网格

3．1．3 动网格方法

3．1．4 数值模型

3．1．5 网格密度对数值结果的影晌

3．2 数值模拟结果及分析

3．2．1 数值模拟与理论工作循环的比较

3．2．2 数值模拟的泵腔效率

3．2．3 泵腔内的流动过程

3．2．4 泵腔内的流场分析

3．3 湍流强度与泵腔气流噪声

3．4 壁面温度对压缩机效率的影响

3．5 间隙泄漏

3．6 本章小结

第4章 气液分离器内的流动及其对压缩机性能的影响

4．1 气液分离器的结构及作用

4．2 气液分离器的数值模拟及分析

4．2．1 气液分离器对压缩机效率的影响

4．2．2 气液分离器内的流动过程

4．2．3 气液分离器内的流动分析

4．3 滚动转子压缩机数值模型及效率分析

4．4 时间步长对数值模型计算精度的影响

4．5 气液分离器参数对滚动转子压缩机性能的影响

4．6 本章小结

第5章 制冷剂流动过程中的波动现象研究

5．1 泵体和气液分离器的分离涡模拟模型

5．1．1 分离涡模拟

5．1．2 网格划分

5．1．3 时间步长的选择

5．1．4 其它参数设置

5．2 数值模拟与动态压力试验的对比

5．3 流动区域内的波动分析

5．3．1 压缩腔内的波动

5．3．2 吸气腔内的波动

5．3．3 气液分离器排气弯管内的波动

5．3．4 气液分离器壳体内的波动

5．4 本章小结

第6章 滚动转子压缩机的性能改进

6．1 滚动转子压缩机性能改进的途径

6．2 排气结构的改进

6．2．1 气缸上的排气结构

6．2．2 改进排气结构的效果评估

6．3 吸气通道上的消音结构

6．3．1 吸气通道上的共振式消音器

6．3．2 噪声试验与波动模拟的对比分析

6．4 本章小结

第7章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及专利

个人简历