基于動態分層網格的空氣壓縮機流場特性分析

張鑒順，李波，劉之明，陸佳瑜，王超，張曉晨

(1.山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博 255049；2.山東泰展機電科技股份有限公司，山東 淄博 255100)

懸架系統是車輛的一個重要組成部分，經典的車輛懸架系統由彈性緩沖元件、阻尼減振器和導向裝置所構成[1]。空氣懸架是半主動懸架的一種，其中懸架用空氣壓縮機是空氣懸架系統的重要組件之一?？諝鈮嚎s機性能的好壞直接關系到汽車行駛的平順性、可靠性和安全性[2-3]。

研究空氣壓縮機內部流場分布是研究其各部件受力的基礎，對提高壓縮機能效具有重要意義。近年來，國內外學者對壓縮機流場進行了分析研究，其中，Min等[4]提出了滾動活塞壓縮機的幾何關聯式預測排氣質量流量，描述了壓縮機氣缸內氣體的壓力、溫度和密度的變化，預測了壓縮機的制冷量;王寶龍等[5]、王輪[6]建立了渦旋壓縮機的分布參數簡化模型，該模型描述了渦旋壓縮機吸氣預壓縮、壓縮泄漏以及排氣等詳細工作過程；由于獲得瞬態流場的變化趨勢比較困難，肖浩等[7]主要關注了活塞式壓縮機流場的穩態模型；朱冬等[8-9]提出了一種建立氣缸二維模型的方法，采用動網格技術對氣缸充放氣過程進行計算。雖然通過數學模型與簡化的二維模型可以用來理解壓縮機內氣體的流動過程，但三維瞬態仿真對于研究壓縮機氣缸內部的詳細流動過程是必不可少的?；谝陨涎芯?，本文提出了基于動態分層的動網格設置方法，對懸架用空氣壓縮機工作過程進行連續瞬態模擬，得到壓縮機在4個工作過程氣缸內部的壓力及氣體流速的分布，對進一步優化懸架用空氣壓縮機設計提供了理論依據。

1 壓縮機結構與工作原理

懸架用空氣壓縮機結構如圖1所示，由電機、曲柄連桿機構、活塞、進排氣閥、氣缸、干燥罐等一系列部件組成。

圖1 懸架用空氣壓縮機結構

懸架用空氣壓縮機屬于往復式壓縮機，工作原理是曲柄連桿機構在電動機的帶動下，將曲軸的旋轉運動轉化為活塞的往復直線運動。懸架用空氣壓縮機的工作過程分為壓縮、排氣、膨脹、吸氣四個過程[10]。

壓縮過程是活塞在曲軸的帶動下由下止點向上止點運動，氣缸的工作容積不斷減小，氣體壓力不斷升高，直到排氣閥打開，開始排氣。氣體由低溫低壓的氣體壓縮為高溫高壓氣體的過程稱為壓縮過程。

排氣過程是指排氣閥開啟，氣體由氣缸經排氣閥排出，經過干燥罐排出空氣壓縮機的過程。

膨脹過程是指排氣過程結束，吸排氣閥關閉，活塞在曲軸的帶動下由上止點向下止點移動，氣缸工作腔容積不斷變大，氣缸內的氣體壓力不斷減小，直到吸氣閥打開。

吸氣過程是指進氣閥開啟后，壓縮機將外界氣體吸入氣缸，直到曲軸運動到下止點，進氣閥關閉。

2 壓縮機工作過程數值模擬

2.1 湍流瞬時控制方程

懸架用空氣壓縮機氣缸內的流體運動屬于瞬態的運動過程，適用湍流瞬時控制方程，控制方程為

(1)

式中：P為流體微元體上的壓力；u為速度矢量；ρ為密度；t為時間；υ為湍流粘度系數；ux、uy、uz為速度矢量u在x、y、z方向的分量。

2.2 內部流場建模及網格劃分

本文以某型號懸架用空氣壓縮機為研究對象，搭建空氣壓縮機內部流場模型。該型號壓縮機額定轉速3 000 r/min，其具體參數見表1。

表1 壓縮機模型參數 單位：mm

根據壓縮機的具體參數，利用三維軟件建立空氣壓縮機氣缸流體模型，將氣缸內部流場模型分為三個部分：進氣閥，氣缸，排氣閥。將模型導入Fluent，運用Mesh模塊對流體模型進行網格劃分。對氣缸進行網格劃分時選擇多區域網格，氣缸、進氣閥選擇六面體網格，排氣閥處流體邊界復雜選擇四面體網格，分塊網格的劃分保證了仿真計算的精度。圖2為氣缸的網格劃分模型。

圖2 氣缸工作腔網格劃分模型

2.3 流體邊界條件設置

在對空氣壓縮機內部流場進行仿真模擬時，首先需要對其邊界條件和初始條件進行設置。將計算模型設置為瞬態，流體材料設置為空氣，湍流模型取標準k-epsilon湍流模型，壁面設為絕熱無滑移。

在Fluent中選擇求解器，用有限體積法控制網格的離散，氣缸求解算法選擇隱式PISO算法；微分離散格式選擇Green-Gauss Node Based；離散格式、湍流脈動能量采用二階迎風格式，湍流耗散率采用一階迎風格式。

關于活塞的往復運動采用動網格設置，在Fluent中直接采用動網格設置中的In-cylinder模塊模擬活塞運動。動網格類型設置為動態分層，選擇動態分層能夠降低出現負體積網格的概率。用Scheme文件定義進排氣閥的開啟和關閉。隨后對模型的邊界條件進行設定：氣缸進口邊界設置為壓力進口，壓力值為0；出口邊界設置為壓力出口，壓力值為1.5 MPa。

3 仿真結果與分析

3.1 壓力分布規律

通過對壓縮機氣缸In-cylinder模塊的設置，對壓縮機工作過程進行瞬態模擬，壓縮開始時曲軸轉角為0°，曲軸轉角轉過360°完成一次循環，選取壓縮機一次循環為研究對象，選取氣缸的中心截面對氣缸流場進行壓力分析。壓縮機工作過程氣體壓力分布如圖3所示。

(a)壓縮過程

圖3(a)為壓縮機壓縮過程的氣體壓力分布，壓縮過程中活塞從下止點向上止點運動，氣缸內的流體區域不斷減小，氣缸內的氣體不斷被壓縮，氣缸內氣體壓力不斷增加?？梢钥闯?，壓縮過程中，活塞端面處流體區域壓力要高于排氣閥處的壓力。隨著氣缸內體積減小，壓力不斷增加，當氣缸內的壓力達到排氣壓力時，排氣閥打開，氣缸內的氣體由氣缸經排氣閥排出。

圖3(b)為壓縮機排氣過程的氣體壓力分布，可以看出，壓縮機排氣過程中氣體由氣缸經排氣閥排出，此時排氣閥口處的氣體壓力是低于氣缸內的壓力的，這是因為曲軸帶動活塞繼續從下止點向上止點運動，活塞壓縮的體積遠遠大于氣體排出的體積，氣缸內空氣的壓縮量遠大于排氣量，所以氣缸內的壓力還在不斷增加。但隨著氣體的不斷排出，氣缸內的壓力在短暫升高后下降，直到排氣過程結束。

圖3(c)為壓縮機膨脹過程的氣體壓力分布，壓縮機在膨脹過程中進排氣閥是關閉的，壓縮機氣缸處于密閉空間?？梢钥闯?，隨著活塞向下止點移動，氣缸的容積不斷變大，此時氣缸內的壓力不斷減小，排氣閥口位置的氣體壓力要高于氣缸內氣體壓力。隨著氣缸內壓力不斷減小，直到低于吸氣閥的開啟壓力，氣閥開啟。

圖3(d)為壓縮機吸氣過程的氣體壓力分布，此時進氣閥打開，氣體進入氣缸，沿氣缸壁直沖而下，沖擊到氣缸底部，因此氣缸底部的壓力較大，但同時由于氣流的沖擊導致氣缸內產生渦旋，渦旋部分壓力較低，氣缸內壓力分布不均。

通過對空氣壓縮機工作過程壓力場的分析，在膨脹和壓縮過程氣缸內壓力分布均勻；吸氣與排氣過程中由于氣閥的開啟，氣體的流動導致氣缸內壓力分布不均。

3.2 速度分布規律

速度場是分析壓縮機能效的一個重要因素，在對氣缸流場的模擬中，對速度場的分析是必不可少的。壓縮機工作過程氣體流速分布如圖4所示。

圖4(a)為壓縮機壓縮過程的氣體流速分布，在氣缸的壓縮過程中，氣缸的吸排氣閥都未開啟，活塞在曲軸的帶動下由下止點向上止點移動，此時空氣受到擠壓，在活塞的推動下流速不斷提高。但由于空氣處于一個密閉的空間內，氣缸內各部位的流速差別不大，流速分布呈分層分布，可知靠近活塞端面流速較大為2.845 m/s，氣缸底部流速為0。

圖4(b)為壓縮機排氣過程的氣體流速分布，可以看出，排氣閥開啟，氣缸內的氣體流出，排氣管道內的流速迅速增加。此時排氣過程中，氣缸內的流速要低于排氣管道內的流速，這是因為活塞壓縮氣體的體積要大于排氣閥排出的氣體體積，可以看出氣缸內流速為16.81 m/s，氣缸與排氣閥交界處最大流速為168.1 m/s，排氣過程氣缸的流速分布不均勻，排氣閥處氣體流動劇烈，氣流脈動較大。

(a)壓縮過程

圖4(c)為壓縮機膨脹過程的氣體流速分布，此時活塞在曲軸的帶動下，從上止點向下止點運動，此時進排氣閥也是關閉的，隨著氣缸工作容積的變大，氣缸內氣體的膨脹導致氣缸內氣體的流速降低。由于在排氣管道內的氣體壓力高，在氣缸工作容積變大的情況下，氣體由高壓區域向低壓區運動，膨脹過程中最大速度為4.503 m/s。氣缸其他位置流速分布均勻，且流速變化范圍不大。

圖4(d)為壓縮機吸氣過程的氣體流速分布，吸氣過程中活塞隨著曲軸轉動，氣缸容積不斷增加，缸內壓力不斷減小，直到進氣閥開啟，氣體進入。可以看出，進氣閥開啟，空氣直流向下，氣缸內氣體流速迅速升高。氣缸內除進氣閥口區域外其他位置流速較低，最大速度出現在進氣閥口區域，最大流速為185.4 m/s。

通過對壓縮機速度場的分析，可以得出在壓縮與膨脹過程中氣體流速分布均勻；在吸氣與排氣過程中，氣體流速變化大，氣體的最大速度出現在閥口處。此外吸排氣過程中氣體產生渦旋，加劇氣缸流場的壓力損失。因此在壓縮機設計過程中應注意閥口的設計，減少壓力損失。

4 結論

1)提出了一種基于動態分層的動網格設置方法，通過采用多區域網格劃分法，提高了模型的計算精度；設置動網格及Scheme文件，實現了壓縮機工作過程的連續瞬態模擬。

2)壓縮機在壓縮與膨脹過程中壓力與速度分布均勻；吸氣過程氣缸內壓力分布不均勻，氣體最大流速為185.4 m/s，最大流速出現在吸氣閥位置；排氣過程氣缸內壓力分布不均勻，氣體最大流速為168.1 m/s，最大流速出現在排氣閥位置。相關成果為某型號空氣壓縮機產品的結構參數進一步優化提供理論依據。