基于CFD的舌簧排气阀流动特性研究

第３７卷第２期２０１６年４月制冷学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎＶｏｌ．３７，Ｎｏ．２Ａｐｒｉｌ，２０１６文章编号：０２５３－４３３９（２０１６）０２－００３８－０８ｄｏｉ：１０􀆰３９６９／ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰０２５３－４３３９􀆰２０１６􀆰０２􀆰０３８基于ＣＦＤ的舌簧排气阀流动特性研究王枫１　尚浩田２　米小珍２　谭良２（１大连交通大学动车学院　大连　１１６０２８；２大连交通大学交通工程学院　大连　１１６０２８）摘　要　气阀是活塞式压缩机最为关键的部件，其工作性能直接影响压缩机的能效。本文首先对气阀的流动特性进行分析，然后基于ＣＦＤ的方法，在Ｆｌｕｅｎｔ中模拟了舌簧排气阀稳态和瞬态流动时的压力场、速度场的分布，对造成气阀压力损失的流截面比、扩散角以及阀片升程这些因素进行分析。研究表明：较小的通流截面比和扩散角有利于减小气阀压力损失；较大的阀片升程虽然能降低阀隙速度，明显减小气阀压力损失，但是过大的升程不能有效降低压力损失，反而会增加阀片的磨损，减少阀片的使用寿命。最后，论文以某型号压缩机为例，实验验证了仿真分析结论的正确性。通过对舌簧排气阀流动特性的分析，为气阀优化设计、提高气阀效率提供了参考依据。关键词　气阀流动特性；气阀压力损失；稳态流动；瞬态流动；压缩机气阀中图分类号：ＴＨ４５７；ＴＢ６５２文献标识码：ＡＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＦｌｏｗＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＤｉｓｃｈａｒｇｅＲｅｅｄＶａｌｖｅＢａｓｅｄｏｎＣＦＤＷａｎｇＦｅｎｇ１　ＳｈａｎｇＨａｏｔｉａｎ２　ＭｉＸｉａｏｚｈｅｎ２　ＴａｎＬｉａｎｇ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＨｉｇｈ⁃ＴｒａｉｎａｎｄＭａｉｎｔｅｎａｎｃｅＳｅｒｖｉｃｅ，ＤａｌｉａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ，１１６０２８，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤａｌｉａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ，１１６０２８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅｒｅｅｄｔｙｐｅｖａｌｖｅｉｓａｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｆｉｒｓｔｌｙ，ａｎｄｔｈｅｎｓｉｍｕｌａｔｅｄｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｉｎｔｈｅｓｔｅａｄｙａｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｌｏｗｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＣＦＤｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｅｒｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｏｓｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｕｃｈａｓｆｌｏｗｓｅｃｔｉｏｎｒａｔｉｏ，ｓｐｒｅａｄａｎｇｌｅａｎｄｖａｌｖｅｌｉｆｔ，ｏｎｖａｌｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔａｓｍａｌｌｆｌｏｗｓｅｃｔｉｏｎｒａｔｉｏａｎｄａｓｍａｌｌｓｐｒｅａｄａｎｇｌｅｍａｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｏｆｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｖａｌｖｅ．Ｂｕｔｄｕｅｔｏｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｖａｌｖｅｐｌａｔｅｄｅｓｉｇｎｓｐａｃｅ，ｔｈｅｓｍａｌｌｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｓｅｔｗｏｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃｏｕｌｄｎ′ｔｂｅｏｂ⁃ｔａｉｎｅｄｅａｓｉｌｙ．Ａｌｔｈｏｕｇｈｔｈｅｈｉｇｈｅｒｖａｌｖｅｌｉｆｔｃｏｕｌｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｒｅｅｄｗｅａｒａｎｄｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｒｅｅｄｌｉｆｅ．ＴｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｖａｌｖｅｌｉｆｔｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅＣＦＤｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉ⁃ｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｒｅｅｄｖａｌｖｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｖａｌｖｅ；ｖａｌｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓ；ｓｔｅａｄｙｆｌｏｗ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｌｏｗ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｖａｌｖｅ基金项目：国家自然科学基金（５１２０５０３５）资助项目。（ＴｈｅｐｒｏｊｅｃｔｗａｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．５１２０５０３５）．）　　收稿日期：２０１５年８月２０日　　气阀是活塞式压缩机最为关键的部件，其工作性能直接影响压缩机的能效。良好的设计可使流动阻力损失低至压缩机轴功率的３％～７％，反之可高达轴功率的１５％～２０％［１－２］。舌簧阀以结构简单、余隙容积小等特点在中小型活塞式压缩机的气阀设计中得到广泛应用。吴丹青［３］系统介绍了舌簧阀运动学的基本数学模型，对阀片的流量系数、推力系数等影响气阀效率的关键参数进行了研究，文献［４－６］中对制冷压缩机气阀的运动规律进行了数学模拟，文献［７－１０］使用ＣＦＤ软件模拟气缸内部的流体状态以及气阀的运动规律，文献［１１－１３］基于ＣＦＤ对气阀的动力学特性进行分析，文献［１４］用数值方法研究了气阀的流量系数。这些研究大多是在简化的气阀结构基础上进行，并且侧重于阀片运动规律的分析，对流动特性的分析较少。舌簧阀工作时，由弹性薄钢片制成的阀片一端固定在阀板上，另一端是自由的，覆盖在阀口上。阀片在两侧流体压力差的作用下开启闭合，完成吸排气的工作循环。因此气阀流动特性的研究对提高气阀效率是有重要意义的。本文的目的是基于ＣＦＤ（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ）［１５］的理论，在Ｆｌｕｅｎｔ［１６］中模拟了舌簧排气阀稳态流动和瞬态流动时的压力场、速度场的分布，研究阀口结构参数对气阀流动特性的影响，为气阀的优化设计提供参考依据。—８３—第３７卷第２期２０１６年４月基于ＣＦＤ的舌簧排气阀流动特性研究Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．２Ａｐｒｉｌ，２０１６１流动特性理论分析舌簧排气阀的典型结构如图１所示，气阀的通流截面有两处，包括阀片开启时与阀座间所形成的阀隙通流截面和阀座通道处的阀座通流截面。其中阀座通流截面又分为阀口出口处的通流截面和阀口入口处的通流截面。由此可知，气阀通道的形状主要决定于通流截面比ｎ＝Ａ１／Ａ２（阀口入口处的通流截面Ａ１与阀座口出处截面积Ａ２比）、扩散角α和阀片升程ｈ。图１排气阀结构原理Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｖａｌｖｅ由流体力学可知，当气缸中的流体以一定速度流经气阀通道时，流体的内摩擦力产生沿程阻力损失，可表示为式（１）［１７］：ｈｆ＝λｌｄｖ２２ｇ（１）式中：λ为沿程损失系数；ｌ为阀板厚度，ｍｍ；ｄ为阀口直径，ｍｍ；ｖ为流体速度，ｍ／ｓ；ｇ为重力加速度，ｍ／ｓ２。由式（１）可知，沿程阻力损失正比于阀板的厚度。当流体通过阀口出、入口时，为了减少流经拐角时与壁面撞击引起的流动损失，以及排气阀对余隙容积的影响，排气阀口通常设计成如图１所示的带有倒角的Ｙ型结构，而不是简单的直壁型式。这种通流截面的变化将会造成的局部阻力损失，由流体力学局部能量损失理论可知，局部阻力损失系数ζｄ［１５］可表示为：ζｄ＝λ８ｓｉｎα２（１－１ｎ２）＋ｋ（１－１ｎ）２（２）式中：λ为沿程损失系数；α为扩散角；ｎ为通流截面比。式（２）可以看出通流截面比ｎ和扩散角α对局部压力损失均有影响。综上所述沿程和局部两种阻力损失耦合在一起，使通过阀口的流体产生流动变形，速度的重新分布，流体微团间发生碰撞，是造成气阀压力损失的主要原因。２稳态流动特性分析气阀稳态流动特性研究主要是分析不同通流截面比ｎ和扩散角α对流体压力场和速度场的影响。２􀆰１有限元模型的建立以某型号活塞式制冷压缩机的排气阀为研究对象，结构如图１所示。在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中建立流动模型，导入Ａｎａｓｙｓ中进行网格划分。由于四面体网格可以快速、自动生成，且在关键区域容易使用曲度和近似尺寸功能进行自动细化，所以阀口流体模型采用四面体网格划分（如图２所示）。图２阀口流体网格模型Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｇｒｉｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｆｌｏｗｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｖａｌｖｅ本文采用的湍流模型为标准ｋ⁃ε模型，工质为ＣＦＤ模型中的理想流体。在计算过程中作如下假设［１６］：１）气体为理想气体；２）气缸排气腔的空间为无穷大；３）忽略随活塞在气缸中移动所获得的气体动能；４）忽略排气过程中气体与气缸壁之间的热交换。采用Ｆｌｕｅｎｔ求解器对流场进行数值模拟，用有限容积法来控制方程离散网格的分离，压力⁃速度的耦合求解采用ＳＩＭＰＬＥ方法。在微分离散格式中，梯度选择Ｇｒｅｅｎ⁃ＧａｕｓｓＣｅｌｌＢａｓｅｄ，压力采用ＰＲＥＳＴＯ！格式。离散格式采用二阶迎风格式，湍流脉动能量和湍流耗散率也采用二阶迎风格式，其他参数采用默认值。边界条件设置为：１）入口为速度入口，流体速度已知为３􀆰４ｍ／ｓ；２）出口为ｏｕｔｆｌｏｗ自由出口，其他部分皆为固壁边界。计算的初始条件包括：阀座流道的初始压力和温度分别为排气压力和排气温度。２􀆰２通流截面比分析通流截面比分析：在扩散角α一定的条件下，分析不同通流截面比对流体流动特性的影响。经过计算得到气阀的流场压力场和速度场如图３所示，由于气阀结构的对称性，因此选阀口中间截面进行显示。由图３压力云图可以看出，沿气阀壁的压力云图在流通方向上颜色逐渐变浅，并且越接近出口处的壁端压力降低的越明显，从图３速度矢量图中可看出，阀道中部速度平均都在３ｍ／ｓ左右，而靠近阀壁两侧的流体速度明显降低到１～１􀆰５ｍ／ｓ。这种压力和速度的损失由阀壁的沿程损失阻力造成，特别是当ｎ＝１􀆰０时，出口处的速度及压力损失最大。另一个明显—９３—第３７卷第２期２０１６年４月制冷学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎＶｏｌ．３７，Ｎｏ．２Ａｐｒｉｌ，２０１６图３不同通流截面比排气阀压力场及速度场分布Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｆｉｅｌｄｓａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｓｏｆｄｉｓｃｈａｒｇｅｖａｌｖｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｎ图４不同通流截面比ｎ的压力损失Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｏｗｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｒａｔｉｏｓ出现压力及速度损失的地方在阀口的倒角处，这是由于流体流经变截面时，流动发生了变形、方向变化以及速度的重新分布，在通道内局部范围产生旋涡，流体微团间发生碰撞，引起了局部阻力损失。不同通流截面比时，流经阀口的压力损失的变化趋势如图４所示（注：论文中压力损失百分比＝（入口截面平均压力－出口截面平均压力）／入口截面平均压力×１００％）。可以看出，在α角不变的情况下，随着ｎ的变小，压损逐渐减小，即出口通道面积越大，压损越小。通流截面比较小时，尽管倒角处存在局部压力损失，但流经阀口的平均压力损失仍然比直壁型的阀口结构（即ｎ＝１􀆰０时）要小很多，因此阀座设计—０４—第３７卷第２期２０１６年４月基于ＣＦＤ的舌簧排气阀流动特性研究Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．２Ａｐｒｉｌ，２０１６通常不采用直壁型结构，尽可能采用带有倒角且通流面积比较小的设计。但由于受设计空间的限制，阀板的面积有限，阀口出口处的面积不能过大，因此要根据具体情况尽量取较小的ｎ值，以减小气阀的压力损失。２􀆰３扩散角分析由于阀口出口倒角处存在局部压力损失，因此有必要分析扩散角对流通特性的影响。ｎ值一定时，不同扩散角条件下，阀座通道内的压力场和速度场如图５所示。图５不同扩散角的排气阀口压力场与速度场Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｆｉｅｌｄｓａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｓｏｆｄｉｓｃｈａｒｇｅｖａｌｖｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔα　　由图５可知：流体在倒角处产生漩涡运动，漩涡必然会造成能量的损失，因此相应的压力云图中倒角处压力低于中部压力。在ｎ一定的条件下，随着扩散角α的