基于CFD的舌簧排氣閥流動(dòng)特性研究

王 楓 尚浩田 米小珍 譚 良

(1 大連交通大學(xué)動(dòng)車學(xué)院 大連 116028；2 大連交通大學(xué)交通工程學(xué)院 大連 116028)

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基于CFD的舌簧排氣閥流動(dòng)特性研究

王 楓1尚浩田2米小珍2譚 良2

(1 大連交通大學(xué)動(dòng)車學(xué)院 大連 116028；2 大連交通大學(xué)交通工程學(xué)院 大連 116028)

氣閥是活塞式壓縮機(jī)最為關(guān)鍵的部件，其工作性能直接影響壓縮機(jī)的能效。本文首先對(duì)氣閥的流動(dòng)特性進(jìn)行分析，然后基于CFD的方法，在Fluent中模擬了舌簧排氣閥穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)時(shí)的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布，對(duì)造成氣閥壓力損失的流截面比、擴(kuò)散角以及閥片升程這些因素進(jìn)行分析。研究表明：較小的通流截面比和擴(kuò)散角有利于減小氣閥壓力損失；較大的閥片升程雖然能降低閥隙速度，明顯減小氣閥壓力損失，但是過(guò)大的升程不能有效降低壓力損失，反而會(huì)增加閥片的磨損，減少閥片的使用壽命。最后，論文以某型號(hào)壓縮機(jī)為例，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析結(jié)論的正確性。通過(guò)對(duì)舌簧排氣閥流動(dòng)特性的分析，為氣閥優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高氣閥效率提供了參考依據(jù)。

氣閥流動(dòng)特性；氣閥壓力損失；穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；瞬態(tài)流動(dòng)；壓縮機(jī)氣閥

氣閥是活塞式壓縮機(jī)最為關(guān)鍵的部件，其工作性能直接影響壓縮機(jī)的能效。良好的設(shè)計(jì)可使流動(dòng)阻力損失低至壓縮機(jī)軸功率的3%～7%，反之可高達(dá)軸功率的15%～20%[1-2]。舌簧閥以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、余隙容積小等特點(diǎn)在中小型活塞式壓縮機(jī)的氣閥設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。吳丹青[3]系統(tǒng)介紹了舌簧閥運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本數(shù)學(xué)模型，對(duì)閥片的流量系數(shù)、推力系數(shù)等影響氣閥效率的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[4-6]中對(duì)制冷壓縮機(jī)氣閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬，文獻(xiàn)[7-10]使用CFD軟件模擬氣缸內(nèi)部的流體狀態(tài)以及氣閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，文獻(xiàn)[11-13]基于CFD對(duì)氣閥的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，文獻(xiàn)[14]用數(shù)值方法研究了氣閥的流量系數(shù)。這些研究大多是在簡(jiǎn)化的氣閥結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行，并且側(cè)重于閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析，對(duì)流動(dòng)特性的分析較少。舌簧閥工作時(shí)，由彈性薄鋼片制成的閥片一端固定在閥板上，另一端是自由的，覆蓋在閥口上。閥片在兩側(cè)流體壓力差的作用下開(kāi)啟閉合，完成吸排氣的工作循環(huán)。因此氣閥流動(dòng)特性的研究對(duì)提高氣閥效率是有重要意義的。本文的目的是基于CFD(computational fluid dynamics)[15]的理論，在Fluent[16]中模擬了舌簧排氣閥穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和瞬態(tài)流動(dòng)時(shí)的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布，研究閥口結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣閥流動(dòng)特性的影響，為氣閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 流動(dòng)特性理論分析

舌簧排氣閥的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，氣閥的通流截面有兩處，包括閥片開(kāi)啟時(shí)與閥座間所形成的閥隙通流截面和閥座通道處的閥座通流截面。其中閥座通流截面又分為閥口出口處的通流截面和閥口入口處的通流截面。由此可知，氣閥通道的形狀主要決定于通流截面比n=A1/A2(閥口入口處的通流截面A1與閥座口出處截面積A2比)、擴(kuò)散角α和閥片升程h。

圖1 排氣閥結(jié)構(gòu)原理Fig.1 The structure scheme of the discharge valve

由流體力學(xué)可知，當(dāng)氣缸中的流體以一定速度流經(jīng)氣閥通道時(shí)，流體的內(nèi)摩擦力產(chǎn)生沿程阻力損失，可表示為式(1)[17]：

(1)

式中：λ為沿程損失系數(shù)；l為閥板厚度，mm；d為閥口直徑，mm；v為流體速度，m/s；g為重力加速度，m/s2。由式(1)可知，沿程阻力損失正比于閥板的厚度。當(dāng)流體通過(guò)閥口出、入口時(shí)，為了減少流經(jīng)拐角時(shí)與壁面撞擊引起的流動(dòng)損失，以及排氣閥對(duì)余隙容積的影響，排氣閥口通常設(shè)計(jì)成如圖1所示的帶有倒角的Y型結(jié)構(gòu)，而不是簡(jiǎn)單的直壁型式。這種通流截面的變化將會(huì)造成的局部阻力損失，由流體力學(xué)局部能量損失理論可知，局部阻力損失系數(shù)ζd[15]可表示為：

(2)

式中：λ為沿程損失系數(shù)；α為擴(kuò)散角；n為通流截面比。式(2)可以看出通流截面比n和擴(kuò)散角α對(duì)局部壓力損失均有影響。綜上所述沿程和局部?jī)煞N阻力損失耦合在一起，使通過(guò)閥口的流體產(chǎn)生流動(dòng)變形，速度的重新分布，流體微團(tuán)間發(fā)生碰撞，是造成氣閥壓力損失的主要原因。

2 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特性分析

氣閥穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特性研究主要是分析不同通流截面比n和擴(kuò)散角α對(duì)流體壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響。

2.1 有限元模型的建立

以某型號(hào)活塞式制冷壓縮機(jī)的排氣閥為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在Solidworks中建立流動(dòng)模型，導(dǎo)入Anasys中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于四面體網(wǎng)格可以快速、自動(dòng)生成，且在關(guān)鍵區(qū)域容易使用曲度和近似尺寸功能進(jìn)行自動(dòng)細(xì)化，所以閥口流體模型采用四面體網(wǎng)格劃分(如圖2所示)。

圖2 閥口流體網(wǎng)格模型Fig.2 The grid model of the flow through the valve

本文采用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，工質(zhì)為CFD模型中的理想流體。在計(jì)算過(guò)程中作如下假設(shè)[16]：1)氣體為理想氣體；2)氣缸排氣腔的空間為無(wú)窮大；3)忽略隨活塞在氣缸中移動(dòng)所獲得的氣體動(dòng)能；4)忽略排氣過(guò)程中氣體與氣缸壁之間的熱交換。

采用Fluent求解器對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，用有限容積法來(lái)控制方程離散網(wǎng)格的分離，壓力-速度的耦合求解采用SIMPLE方法。在微分離散格式中，梯度選擇Green-Gauss Cell Based，壓力采用PRESTO！格式。離散格式采用二階迎風(fēng)格式，湍流脈動(dòng)能量和湍流耗散率也采用二階迎風(fēng)格式，其他參數(shù)采用默認(rèn)值。

邊界條件設(shè)置為：1)入口為速度入口，流體速度已知為3.4 m/s；2)出口為outflow自由出口，其他部分皆為固壁邊界。計(jì)算的初始條件包括：閥座流道的初始?jí)毫蜏囟确謩e為排氣壓力和排氣溫度。

2.2 通流截面比分析

通流截面比分析：在擴(kuò)散角α一定的條件下，分析不同通流截面比對(duì)流體流動(dòng)特性的影響。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到氣閥的流場(chǎng)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)如圖3所示，由于氣閥結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因此選閥口中間截面進(jìn)行顯示。

圖3 不同通流截面比排氣閥壓力場(chǎng)及速度場(chǎng)分布Fig.3 The distributions of pressure fields and velocity fields of discharge valve with different n

圖4 不同通流截面比n的壓力損失Fig.4 The pressure losses of different flow cross section ratios

由圖3壓力云圖可以看出，沿氣閥壁的壓力云圖在流通方向上顏色逐漸變淺，并且越接近出口處的壁端壓力降低的越明顯，從圖3速度矢量圖中可看出，閥道中部速度平均都在3 m/s左右，而靠近閥壁兩側(cè)的流體速度明顯降低到1～1.5 m/s。這種壓力和速度的損失由閥壁的沿程損失阻力造成，特別是當(dāng)n=1.0時(shí)，出口處的速度及壓力損失最大。另一個(gè)明顯出現(xiàn)壓力及速度損失的地方在閥口的倒角處，這是由于流體流經(jīng)變截面時(shí)，流動(dòng)發(fā)生了變形、方向變化以及速度的重新分布，在通道內(nèi)局部范圍產(chǎn)生旋渦，流體微團(tuán)間發(fā)生碰撞，引起了局部阻力損失。

不同通流截面比時(shí)，流經(jīng)閥口的壓力損失的變化趨勢(shì)如圖4所示(注：論文中壓力損失百分比=(入口截面平均壓力-出口截面平均壓力)/入口截面平均壓力×100%)。可以看出，在α角不變的情況下，隨著n的變小，壓損逐漸減小，即出口通道面積越大，壓損越小。通流截面比較小時(shí)，盡管倒角處存在局部壓力損失，但流經(jīng)閥口的平均壓力損失仍然比直壁型的閥口結(jié)構(gòu)(即n=1.0時(shí))要小很多，因此閥座設(shè)計(jì)通常不采用直壁型結(jié)構(gòu)，盡可能采用帶有倒角且通流面積比較小的設(shè)計(jì)。但由于受設(shè)計(jì)空間的限制，閥板的面積有限，閥口出口處的面積不能過(guò)大，因此要根據(jù)具體情況盡量取較小的n值，以減小氣閥的壓力損失。

2.3 擴(kuò)散角分析

由于閥口出口倒角處存在局部壓力損失，因此有必要分析擴(kuò)散角對(duì)流通特性的影響。n值一定時(shí)，不同擴(kuò)散角條件下，閥座通道內(nèi)的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)如圖5所示。

圖5 不同擴(kuò)散角的排氣閥口壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)Fig.5 The distributions of pressure fields and velocity fields of discharge valve with different α

圖6 不同擴(kuò)散角α的壓力損失Fig.6 The pressure losses of different α

由圖5可知：流體在倒角處產(chǎn)生漩渦運(yùn)動(dòng)，漩渦必然會(huì)造成能量的損失，因此相應(yīng)的壓力云圖中倒角處壓力低于中部壓力。在n一定的條件下，隨著擴(kuò)散角α的增大，速度場(chǎng)中漩渦區(qū)范圍也在逐漸增大，意味著氣閥的損失也隨之增加，壓力損失隨擴(kuò)散角增加而增大的變化趨勢(shì)如圖6所示。當(dāng)擴(kuò)散角不大于60°時(shí)，壓力損失比較小，超過(guò)60°以后，壓力損失的增幅比較大。因此在閥口形狀設(shè)計(jì)中，α取較小的值比較合適。

3 瞬態(tài)流動(dòng)特性分析

壓縮機(jī)排氣時(shí)，隨著壓縮過(guò)程的進(jìn)行，閥片在兩側(cè)壓力差的作用下逐漸開(kāi)啟，閥片不同升程對(duì)流體的速度、壓力均有影響。

3.1 有限元模型建立

為了使網(wǎng)格容易生成，減少計(jì)算時(shí)間，對(duì)氣閥流道作適當(dāng)簡(jiǎn)化，未倒圓角，對(duì)于重要的地方如閥片上下表面處，需要增加網(wǎng)格密度，保證計(jì)算精度，排氣閥內(nèi)流道有結(jié)構(gòu)的變化，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分，流體網(wǎng)格模型如圖7所示，由閥片，排氣閥通道，排氣腔構(gòu)成。其它計(jì)算條件的設(shè)定同2.1的模型。

圖7 排氣閥瞬態(tài)分析網(wǎng)格模型Fig.7 The grid model of discharge valve for transient analysis

3.2 閥片升程分析

不同閥片升程時(shí)，閥座通道中軸截面處壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布如圖8所示。從速度矢量圖中可看出，閥片開(kāi)啟1 mm時(shí)，閥隙面積最小，流體速度最大，在閥片的頭部達(dá)到6.5 m/s時(shí)，壓力損失最大。隨著升程的增加，閥隙流體速度逐漸減小，當(dāng)升程達(dá)到2.5 mm時(shí)，從速度云圖中可見(jiàn)整個(gè)流場(chǎng)相對(duì)之前已經(jīng)比較穩(wěn)定，從閥片的頭部到根部閥隙間流體速度趨于均勻，沒(méi)有明顯的梯度變化。此時(shí)壓力云圖已經(jīng)比較平緩，閥座通道的流場(chǎng)壓力分布也比較均勻。

圖8的流線圖表明：1)由于閥片的阻擋，流場(chǎng)流線成放射狀繞過(guò)閥片的端部，由于閥片的尾部固定在閥板上，因此尾部的閥隙很小，流線在尾部出現(xiàn)空缺；2)流場(chǎng)中有中斷的流線，表明氣閥流場(chǎng)中存在流速為零的區(qū)域，這是由于流體經(jīng)過(guò)閥口后部分流體速度急劇減小至零，另外在閥腔邊緣形成漩渦區(qū)域流速變?yōu)榱悖@些流速為零的流體會(huì)迅速進(jìn)入另一段流動(dòng)，直到流出出口；3)流體從氣缸經(jīng)過(guò)閥口時(shí)，由于通流面域減小，流速迅速增加；在閥口右側(cè)背離出口處區(qū)域形成漩渦，增加了能量的局部損失，出口處有回流；4)隨著開(kāi)啟高度不斷增大，可以看到流線明顯變的有序，不再雜亂無(wú)章，說(shuō)明閥口周圍的能量損耗逐漸減小。

不同閥片升程閥口壓力損失趨勢(shì)如圖9所示。當(dāng)閥片升程從1 mm增至2.5 mm時(shí)，壓力損失曲線陡降，壓損下降很快；當(dāng)升程大于2.5 mm之后，曲線趨于平緩，說(shuō)明流動(dòng)趨于穩(wěn)定。但是當(dāng)升程為3.5 mm時(shí)，閥片頭部又有少量無(wú)序的流線出現(xiàn)，意味著即使升程再增加(如>3.5 mm)，壓力損失的減小也不會(huì)有明顯改善，反而可能會(huì)引起額外損失。因此對(duì)于所分析的氣閥而言，其合理的升程應(yīng)當(dāng)在3～3.5 mm之間。

綜上所述，在排氣過(guò)程開(kāi)始階段，氣體流動(dòng)被閥片阻擋，局部流線雜亂，流場(chǎng)呈現(xiàn)渦流。隨著閥片的升程的增加，閥隙速度逐漸降低，閥座通道內(nèi)的流場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，速度、壓力和流線分布也逐漸均勻，氣閥壓力損失趨于減小。但是當(dāng)升程達(dá)到某一值時(shí)，壓力損失不再減小，而是趨于一個(gè)穩(wěn)定值，說(shuō)明過(guò)大的升程并不能有效減小氣閥壓力損失。不僅如此，過(guò)大的行程還會(huì)增加閥片的磨損，減少閥片的使用壽命[2]。因此氣閥升程設(shè)計(jì)一定要合理，既要保證有效的開(kāi)啟空間，最小的閥損，又要考慮閥片的壽命。利用CFD的仿真，可以獲得合理的閥片升程。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

某型號(hào)活塞式制冷壓縮機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)：容積為152.8 m3/h，轉(zhuǎn)速為1450 r/min，工質(zhì)R22，名義工況冷凝溫度40.5 ℃，蒸發(fā)溫度-15 ℃，名義制冷量為30 kW，試驗(yàn)工況為冷凝溫度40.5 ℃，蒸發(fā)溫度(Tevap)為-40.5～-5 ℃，吸氣溫度為18.3 ℃，其優(yōu)化前后排氣閥的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 排氣閥改進(jìn)前后設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

變化率=(優(yōu)化后-優(yōu)化前)/優(yōu)化前×100%

圖8 閥片不同升程排氣閥三維流線圖Fig.8 The distributions of pressure fields, velocity fields, and three dimensional streamlines with different valve lift

圖9 不同閥片升程壓力損失趨勢(shì)Fig.9 The pressure losses of different valve lifts

從表1知，入口處的通流截面A1基本不變的情況下，優(yōu)化后的出口處通流截面A2增加了70.6%，使通流截面比n下降了41.9%；優(yōu)化后的升程為3.5 mm(參見(jiàn)3.2的分析)，下降了30%，可以有效提高使用壽命。優(yōu)化后壓縮機(jī)能效的提升率(ΔCOP%)以及潤(rùn)滑油油溫的下降(ΔToil)數(shù)據(jù)列于表2。

表2 排氣閥改進(jìn)后性能參數(shù)對(duì)比

由表2可知：氣閥優(yōu)化后的壓縮機(jī)在不同工況下的COP均有提高，增幅約為2%～4.4%，曲軸箱潤(rùn)滑油的油溫下降了10 ℃左右。說(shuō)明改進(jìn)后的氣閥降低了閥損，減少了渦流產(chǎn)生的額外耗散(比如摩擦熱)，降低了氣缸的溫度，使曲軸箱的油溫隨之下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，閥片升程的下降并沒(méi)有降低壓縮機(jī)的能效，與3.2的分析一致，較大的升程并不能保證提高壓縮的效率，反而可能引起額外損耗。流通截面比以及閥片升程的優(yōu)化，不僅提高了壓縮機(jī)的能效，而且降低潤(rùn)滑油油溫，大大提高了壓縮機(jī)的可靠性。

5 結(jié)論

本文基于CFD的方法，在Fluent中模擬了舌簧排氣閥流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的流動(dòng)時(shí)的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布，分析了通流截面比n、擴(kuò)散角α以及閥片升程h對(duì)氣閥壓力損失的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析結(jié)論的合理性。

1)由于存在沿程阻力損失和局部阻力損失，閥口的通流截面比n越小，則氣閥的壓力損失越小，因此閥座通道不宜采用直壁型式，應(yīng)盡可能采用通流面積較小的設(shè)計(jì)。但是由于設(shè)計(jì)空間的限制，閥板的面積有限，閥座出口處的面積不能過(guò)大，因此要根據(jù)具體情況盡量取較小的n值。

2)在n一定的情況下，擴(kuò)散角α越大，出口倒角處的渦流區(qū)越大，氣體的損失也隨之增加，因此α取較小的值比較合理。

3)增加閥片的升程能降低閥隙速度，降低氣閥的壓力損失，提高氣閥的效率。但是過(guò)大的升程不僅不能有效降低壓力損失，反而可能引起額外損失，利用仿真的方法可獲得合理的氣閥升程。

本文受遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2013173)資助。(The project was supported by the Education Department General Project Foundation of Liaoning Province (No. L2013173).)

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About the corresponding author

Wang Feng, female, Ph.D., associate professor, Dalian Jiaotong University, +86 411-84109806, E-mail: maplekingdl@126.com. Research fields: optimization design of refrigeration compressors. The author takes on projects supported by the Natural Science Foundation of China (No. 51205035): the flow characteristic of reed valve; Education Department General Project Foundation of Liaoning Province (No. L2013173): optimization design for the high efficiency design of reed valve.

Study on the Flow Characteristic of Discharge Reed Valve Based on CFD

Wang Feng1Shang Haotian2Mi Xiaozhen2Tan Liang2

(1. School of High-Train and Maintenance Service, Dalian Jiaotong University, Dalian, 116028, China; 2. School of Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian, 116028, China)

The reed type valve is a key component of reciprocating compressors affecting the efficiency and reliability of the machines. This paper analyzed the flow characteristic firstly, and then simulated the distributions of pressure field and velocity field in the steady and transient flows based on the CFD method, where the effects of those parameters, such as flow section ratio, spread angle and valve lift, on valve pressure loss were investigated. The results showed that a small flow section ratio and a small spread angle may reduce the pressure loss of the discharge valve. But due to the limitation of valve plate design space, the small values of these two parameters couldn′t be obtained easily. Although the higher valve lift could reduce the pressure loss effectively, which increased the reed wear and reduced the reed life. The reasonable valve lift can be obtained by the CFD method. The study of the flow characteristic could provide basis for the optimization design of reed valve.

flow characteristic of valve; valve pressure loss; steady flow; transient flow; compressor valve

0253- 4339(2016) 02- 0038- 08

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.038

國(guó)家自然科學(xué)基金(51205035)資助項(xiàng)目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51205035).)

2015年8月20日

TH457；TB652

A

簡(jiǎn)介

王楓，女，博士，副教授，大連交通大學(xué)，(0411)84109806，E-mail: maplekingdl@126.com。研究方向：制冷壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。現(xiàn)在進(jìn)行的研究項(xiàng)目有國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51205035)——舌簧閥流動(dòng)特性研究，遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2013173)——高效舌簧閥組優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。