CFD在滚动转子压缩机设计中的应用

　　计算流体动力学(CFD)是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型学科。商用CFD软件是应用计算流体力学理论与方法，利用具有超强数值运算能力的计算机，编制计算机运行程序，数值求解满足不同种类流体的流动和传热规律的质量守恒、动量守恒和能量守恒三大守恒规律，并附加各种模型方程所组成的非线性偏微分方程组，得到的确定边界条件下的数值解。CFD兼有理论性和实践性的双重特点，为现实物理过程中的复杂流动与传热问题提供了有效的解决方法。

　　压缩机开发是复杂而费时的工作。随着现在人们对压缩机的要求越来越高，想在竞争中取得成功，就必须考虑更多的有关问题，如可靠性、价格、噪音等。相应要求不断增加，开发任务也越发沉重。以往的压缩机开发常都由实验推动，而新的开发目标要求做更复杂的实验，这就极大地增加了开发时间和成本。要缩短开发时间和成本，显然靠实验来推动开发很难达到要求。

　　压缩机开发最新方法是使用数值仿真工具。这些工具能模拟压缩机内部的物理特性，过去几年中计算能力的增强，使得使用复杂数值仿真工具越来越普遍。

　　文献[1]中，使用了CFD方法来研究压缩机中通过阀的流动，证明商业CFD软件能准确地预测阀的有效流通面积。文献[2-3]介绍了CFD应用压缩机开发中，用CFD分析了压缩机吸气管路、气缸吸气、排气管路和排气消音器，模拟结果和实验结果相符。但CFD并不是压缩机设计中唯一的工具。LENZ用有限元分析法研究了舌形阀的应力[4]，SVENDSEN用边界元法研究了吸气消音器内部的脉动情况[5]。最近的研究集中在不同物理场间的相互作用[6-8]，尤其是流体和固体域间的相互作用 (FSI)，因为阀的动态特性极大影响着压缩机性能。

　　在此，举例说明了CFD工具在滚动转子压缩机设计开发中的应用。通过CFD模拟结果的分析可以了解压缩机的物理特性，从而可以指导压缩机的改进。通过实验数据验证了模拟结果。

　　1 消音腔优化设计

　　1.1 优化对比方案

　　气流噪声是压缩机的主要噪声源之一，安装排气消音器和气缸开设消音腔是解决气流噪声的主要手段，人们对消音腔的设计方法已经进行了较多的研究，并取得了良好的效果。

　　应用CFD方法对原消音器和优化消音腔进行数值模拟，分析优化前后消音腔对压缩机的性能的影响，为消音腔的进一步优化提供参考。原消音腔与优化后消音腔结构如图1所示。

　　1.2 简化CAD模型和CFD网格模型

　　三维CAD简化和CFD计算网格模型如图2所示，为气缸、进气管、斜切口、法兰排气孔和消音腔的流体区域。忽略了滚子端面间隙，滑片端面和滑片槽间隙、滑片头部与滚子之间的间隙等。