双螺杆压缩机注油过程3D动态仿真

除润滑齿轮外，不同类型的容积式压缩机普遍采用喷油来冷却压缩气体、密封泄漏间隙提高压缩机气体流量和效率。本文将详细介绍双螺杆压缩机注油过程的3D全瞬态CFD仿真，采用体积分数(VOF)法对气液两相流动进行模拟，通过对比有油和无油情况下的模拟结果，对注油冷却和密封效果进行评价。通过该算例Simerics MP+ 软件VOF模型的有效性、强大性及计算速度得到了有效地验证。

1 . 双螺杆压缩机基本原理

双螺杆压缩机是一种做回转运动的容积式气体压缩机械，随着螺杆转子的转动，阴阳转子间的齿间容积沿转子轴线从吸气端运动到排气端，且齿间容积由小到大再变小，发生周期性的变化，完成吸气、压缩和排气过程。除润滑齿轮外，不同类型的容积式压缩机普遍采用喷油来冷却压缩气体、密封泄漏间隙提高压缩机气体流量和效率。本文将详细介绍双螺杆压缩机注油过程的3D全瞬态CFD仿真，采用体积分数(VOF)法对气液两相流动进行模拟，通过对比有油和无油情况下的模拟结果，对注油冷却和密封效果进行评价。通过该算例Simerics MP+ 软件VOF模型的有效性、强大性及计算速度得到了有效地验证。

1 . 双螺杆压缩机基本原理

双螺杆压缩机是一种做回转运动的容积式气体压缩机械，随着螺杆转子的转动，阴阳转子间的齿间容积沿转子轴线从吸气端运动到排气端，且齿间容积由小到大再变小，发生周期性的变化，完成吸气、压缩和排气过程。

2 . 难点分析

结构复杂，泄露间隙小：双螺杆压缩机具有２个结构特殊的转子，转子与机壳构成了一个复杂的空间，且阴阳转子间的间隙非常小，有时仅有几十微米。

双螺杆压缩机的结构，决定了采用常规CFD软件时，必然会存在网格划分困难、耗时长、计算量大的问题。

存在两相流动：由于液气比高、相间相互作用复杂、界面跟踪形状复杂，即使是相对简单的两相流问题也难以解决。在PD压缩机中求解多相流问题更为困难。在这种情况下，必须将气相视为可压缩的，考虑传热效应，在移动、变形的体积内进行界面跟踪。CFD求解器在多相模拟中遇到的主要问题是收敛性差、模拟时间长、质量/能量守恒不理想。

SimericsMP+ 在螺杆压缩机仿真中的优势：

1 . 仿真模拟中可以包含轴向微小间隙（可以小到几微米），并且不影响计算速度；　

2 . 在同等网格和计算资源下，SimericsMP+ 计算速度是目前市场上其他CFD软件计算速度的8-10倍；　

3 . 流场和压缩机转子的共轭传热可以联合在一起求解。

2 . 难点分析

结构复杂，泄露间隙小：双螺杆压缩机具有２个结构特殊的转子，转子与机壳构成了一个复杂的空间，且阴阳转子间的间隙非常小，有时仅有几十微米。

双螺杆压缩机的结构，决定了采用常规CFD软件时，必然会存在网格划分困难、耗时长、计算量大的问题。

存在两相流动：由于液气比高、相间相互作用复杂、界面跟踪形状复杂，即使是相对简单的两相流问题也难以解决。在PD压缩机中求解多相流问题更为困难。在这种情况下，必须将气相视为可压缩的，考虑传热效应，在移动、变形的体积内进行界面跟踪。CFD求解器在多相模拟中遇到的主要问题是收敛性差、模拟时间长、质量/能量守恒不理想。

SimericsMP+ 在螺杆压缩机仿真中的优势：

1 . 仿真模拟中可以包含轴向微小间隙（可以小到几微米），并且不影响计算速度；　

2 . 在同等网格和计算资源下，SimericsMP+ 计算速度是目前市场上其他CFD软件计算速度的8-10倍；　

3 . 流场和压缩机转子的共轭传热可以联合在一起求解。

3 . 应用实例

压缩机模型最初设计为无油双螺杆压缩机，具有3/5叶栅布置和“N”转子廓形转子。阳转子的工作速度从6000到14000rpm不等，阳转子直径127.45 mm，阴转子直径为120.02 mm，两个转子之间的中心距为93.00 mm。转子的长径比为1.6，阳转子的包角为285.0°。本研究在阳转子和阴转子上均加了两根注油管。为了获得更高的压缩比，对出油口进行了改造，同时也使机油冷却变得尤为重要。

采用Simerics二叉树非结构网格对流体体积的进、出口端口进行网格划分。所有的流体体积通过不匹配网格接口(MGI)连接在一起。网格数量约86万个。下图显示了三维视图中完整的模拟流体域。

将进气口设置为固定总压，固定总温边界条件，出口设置为固定静压边界条件。流体的气相是空气，用理想气体状态方程建模。阳转子转速为8000 RPM。假设该油不可压缩，密度950 Kg/m3，热容1670 J/kgK。

为了验证注油效果，还模拟了相同参数但不注油的类似情况进行了对比。喷油模拟每转4小时左右，不喷油模拟每转2小时左右。

在模拟过程中，经过6圈左右，结果呈现周期性。

上图显示了一个完整的齿旋转时，在5个不同的阳转子曲轴角处的典型压力曲线。压力范围从1bar到6.5bar，洋红色代表高压，蓝色代表低压。在操作过程中，流体从进气口向上移动到出气口。由于各缸套的体积不断减小，各缸套的压力随曲轴转角的增大而增大，直至达到出口。

上图显示了5个曲轴角处的温度曲线。温度的范围从300k到55k，洋红色代表高温，蓝色代表低温。pocket里的温度也有类似的趋势。然而，与压力不同的是，由于注入油的冷却作用，每个pocket内的温度高度不均匀。靠近注油区的温度明显较低。

上图为曲轴5个角处的油浓度曲线。浓度范围从0到10%的体积分数，洋红色代表高浓度和蓝色代表低浓度。油在靠近喷油器的地方有较高的浓度，然后被pocket带走。

上图为5个曲轴角处的油浓度等值面，转子表面受温度影响而着色。注入转子后，油与气体不能很好地混合。相反，油仍然保持在一起，形成非常不均匀的浓度在转子室。此外，从图中可以清楚地看到油冷却效果，因为周围地区的油有明显的较低的温度。

对于注油工况，模拟工况下压缩机的平均气体质量流量为0.1794 kg/s。原油质量分数约为57%，定义为平均原油质量流量除以总质量流量。平均出口温度约为391 K。下表总结了溶液变为周期性后，一次公转子公转的质量和能量平衡。

上图给出了两个阳转子转速为周期性后，进、出口瞬时气体流量与阳转子曲轴转角的关系。结果表明，每一次转子轮齿的旋转都呈现出完美的周期形状。出口流量比进口流量有较大的振荡，且回流周期短。

为了评价注油对压缩机性能的影响，还模拟了相同工况下不注油的类似情况。在仅气体情况下，模拟的气体质量流量不平衡约为0.4%，能量不平衡约为0.2%。

图8比较了在曲轴角度相同的情况下，有油和无油情况下的压力分布。虽然放电压力相同，但无油情况下的内部压力明显高于有油情况下的内部压力。图9比较了在曲轴角度相同的情况下，有油和无油情况下的温度分布。无油情况下的温度要比有油情况下的温度高得多。

下表总结了有无注油时压缩机性能的差异：

注油后，在相同工况下运行的压缩机，与“干式”(不注油)运行相比，气量流量增加23%，出口气温升降低74%，转子功率降低12%。注油压缩机性能的提高是油冷却和油密封共同作用的结果。

上图给出了两种情况下一个压缩袋的压力历史，包括有喷油和没有喷油两种情况。历史曲线显示出明显的周期规律。不注油情况下的超压比注油情况下的高。

上图给出了同一pocket的温度历史。由于温度场的非均匀性，监测点的温度结果比压力结果具有更大的振荡。没有油的箱子温度要高得多。

利用SimericsMP软件的VOF多相模型成功地应用于双螺杆注油压缩机的建模。

通过与无油运行的相似模型的比较，预测了由于注油而导致的性能改善的正确趋势，同时显示了良好的质量和节能效果。

SimericsMP软件的仿真结果揭示了注油压缩过程的详细流动规律和热力学过程，有助于压缩机设计人员和分析人员更好地理解和改进设计。

总的来说，Simerics MP软件的VOF模型具有很大的潜力，可以作为分析PD压缩机两相流问题的一个非常有用的工具。

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