基于CFD的气阀内气体流动规律模拟

　　气阀是活塞式压缩机重要的部件之一,它控制着压缩机的吸气、压缩、排气和膨胀4个过程。气阀的性能直接影响压缩机运转的经济性及可靠性。气阀内 部的速度场和压力场非常复杂,因此模拟出气阀内气体流动规律对研究气阀性能是非常重要的[1]。随着计算流体动力学(简称CFD)方法的不断改进和计算机 的飞速发展,利用CFD方法进行气阀内部流场的数值模拟已经开始应用,大大提高了设计水平和效率。对气阀内部流场进行数值模拟,可以改进气阀的结构,进而 提高气阀效率。

　　1　气阀内气体流动数学模型

　　1.1　吸气过程流动微分方程

　　气体流入汽缸时,忽略吸气过程中气体与外界的热交换量,假设气体为理想气体,根据能量方程、理想气体状态方程以及内能变化公式可得:

　　式中,γ为比热比;p为气缸内气体压力,ps为吸气腔内气体压力,Pa;V为气缸内气体体积,m3;Ts为吸气腔内气体温度,K;αsvAsv为吸气阀瞬时有效阀隙面积,m2;R为气体常数,J/(kg·K);t为时间,s。

　　1.2　排气过程流动微分方程式

　　排气时,忽略气体与外界的热交换量,假设气体为理想气体,根据能量方程、理想气体状态方程以及内能变化公式可得:

　　式中,pd为排气腔内气体压力,Pa;αdvAdv为排气阀瞬时有效阀隙面积,m2;Td为排气腔内气体温度,K。

　　1.3　控制方程

　　叶轮内部压缩气体与叶轮一起为恒定的转速,考虑粘性假设,连续性方程和动量方程可表示为:

　　式中,kt为湍动能;pt为包含湍动能和离心力的压强,Pa;μe为有效粘性系数;ρ为流体密度,kg/m3;xi、xj为各坐标分量;ui、uj、uk为各平均相对速度分量;ωj为角速度;εijk为张量。

　　为了确定Boussinesq涡粘性系数μt,采用标准的kt-ε湍流模型,因此有:

　　kt和ε的方程为:

　　其中

　　式中,pk为湍动能的生成项;Cμ、σk、σε、C1和C2为湍动模型系数,取Cμ=0.09、σk=1.0、σε=1.3、C1=1.44、C2=1.92。

　　2　仿真模型的建立

　　2.1　Fluent简介

　　Fluent是世界领先的CFD软件,在流体建模中被广泛应用。其用户界面友好,具有非结构化及有限容量解算的功能,可以提高产品设计周期和效率。该软件适用于各个领域的流体流动分析,能够模拟流体流动、传质传热和其它的物理现象[2]。

　　Gambit是专用的CFD前置处理器,Fluent采用Gambit前处理软件建立几何形状及生成网格,是一具有超强组合建构模型能力的前处理器。