1、压缩机气流脉动分析方法及应用研究现状 摘 要 近年来，在整个国民经济不断进步的大背景下，能源化工行业作为国民经济的基础和支柱型产业，也得到了迅猛发展。压缩机作为能源化工行业中常用的动设备装置，人们对其性能和可靠性的要求也越来越高。其中容积式压缩机的气流脉动问题是影响压缩机性能、噪声和安全性的主要因素。有关气流脉动分析方法和理论模型的研究一直以来被广大的研究人员所重视。本文调研了压缩机气流脉动分析方法及研究现状，并指出了今后重点需关注的研究内容。 下载 关键词 压缩机；气流脉动；频域分析；数值模拟 doi： 10.3969/j.i 中图分类号 F273； U463 文献标识码 A 文章编号 16
2、73-0194（ 2016） 08-00-0 1 概 述 气流脉动的分析模型主要包括频域和时域两大类，不同的分析模型具有不同的分析对象和局限性。频域分析法由于其具有相对较高的计算效率，得到了更广泛的应用。但频域分析方法中的模态展开法在声源计算模型方面的研究还存在一定问题，现有的声源模型存在发散性、压力不均匀性和计算效率低等缺点，导致压缩机气流脉动频域分析的计算结果可靠性不高，因此，有必要研究新的声源模型提高压缩机气 流脉动的分析精度。另一方面，气流脉动引发的噪声问题也是容积式压缩机的主要噪声源。目前，噪声污染已经与水污染、大气污染、固体废弃物污染共同被看成是世界范围内 4个主要环境问题。在这种
3、背景下，有效控制容积式压缩机的噪声问题，不仅是满足国家法律法规的基本要求，而且是企业提升产品品质、增强企业自身竞争力的有力手段。 研究压缩机工作过程气流脉动规律需要将压缩机气流脉动理论模型与实际压缩机工作过程的数学模型进行耦合。近年来，随着计算机技术的不断进步，数值分析的范围得到进一步拓展，各种气流脉动分析方法都得到了一定 程度的发展。从总体上看，根据压缩机气流脉动基本处理方法的不同，主要可从分析域的角度分为频域模型和时域模型两大类。一般来讲，频域模型基于声学线性波动方程，理论和计算方法比较成熟，在压缩机气流脉动的分析中一直得到了较多使用。时域模型基于非定常流体力学方程，在近年来随着计算流体力
4、学的飞速发展，其在压缩机气流脉动的分析方面也得到了越来越多的应用。 2 压缩机气流脉动频域分析方法及应用 从 20 世纪 60 年底起，许多学者便开始采用声学频域分析方法结合压缩机的数学模型分析各种类型压缩机气流脉动。在平面波 动理论方面， Elson和 Soedel 通过线性声学波动理论建立了分析阀腔压力脉动与阀片耦合运动的数学模型，研究了排气阀的压力响应。 MacLaren 等人采用同样的方法建立了气流脉动频域分析模型研究了往复式压缩机阀片的运动规律。 Soedel和 Baum 将该方法拓展到了四缸压缩机气缸内气流脉动频率和模态的分析中。Singh 和 Soedel 采用该方法分析了双缸高
5、转速制冷压缩机的背压效应。孙嗣莹 等建立了往复式压缩机的热力学和气流脉动频域分析方法的耦合模型，分析了气阀对往复式压缩机气流脉动的影响。随着研究的不断深入，更多的压力脉动影响因素在分析模型中得到了考虑，通过联立求解热力学方程、传热方式、气流脉动方程和阀片动力方程分析了往复式压缩机的工作循环特性。 Zhou 和 Hamilton 将模型拓展应用到了多缸往复式压缩机，考虑了实际气体的状态方程并建立了气体泄漏模型。 Schewerzler 和 Hamilton 在考虑了压缩机吸排气侧的传热作用下，通过气流脉动模型分析了多缸压缩机共用缓冲腔内的压力脉动规律。 Nieter 等通过建立热力学模型，压缩机
6、动力学模型，阀片动力学模型，泄漏模型和声学模型结合试验测试分析了滚动转子压缩机内的二次压力 脉动的原理，他们发现余隙容积是压缩机二次压力脉动的主要原因。近年来，有关一维平面波法的数学特性的优化研究也得到了研究人员越来越多的关注。 Bilal 等分析了多缸压缩机吸气腔内的压力脉动计算模型的稳定性和灵敏性。 Zhou 和 Kim 优化了往复式压缩机气流脉动分析模型，减少了压力脉动的迭代求解次数。 Kim 和 Soedel 讨论了采用频域压力脉动模型与时域工作过程数学模型分析压缩机气流脉动的收敛性。 在气流脉动声学分析方法中， Helmholtz 共鸣器法作为一维平面声波分析方法的一个分支与压缩机工
7、作过程的模拟得到 了较好的结合。 Kim 和Soedel 最早建立了基于频域 Helmholtz 共鸣器法的滚动转子压缩机气流脉动理论模型，这种模型将压缩机的消音器看作一个共鸣器容积，计算较为简便但其分析精度较低。 Liu和 Soedel将 Helmholtz共鸣器法拓展到了具有多个扩张腔的压缩机消音器的气流脉动分析中，并运用该方法分析了变速滚动转子压缩机的排气气流脉动，他们发现当压缩机转速提高后，其气流脉动的高频分量和幅值都增加了。通过将 Helmholtz共鸣器模型与排气阀片的运动微分方程和气缸工作模型耦合分析了滚动转子压缩机消音器内压力脉动。 前面提到的气流脉动频域分析模型都是基于一维几
8、何形状的。模态展开法将频域气流脉动的分析从一维拓展到了多维，除了在声源模型分析进展中提到的研究外。 Kim 和 Soedel 运用该模型分析了小型制冷压缩机壳体内的压力脉动变化规律，研究了压缩机进排气位置对压缩机脉动的影响，分析了共鸣情况下壳体内压力分布规律，通过对进口采用了相位干涉的方法，减弱了压缩机壳体内的气流脉动。 Lai 还分析了将压缩机实际不规则形状缓冲腔简化为矩形缓冲腔的合理性。 Maddali 在考虑高阶效应的条件下，运用该方法对圆形腔体中的压力脉 动进行了参数化研究。 3 压缩机气流脉动数值分析方法及应用 伴随计算机技术的进步，数值计算方法得到了迅猛的发展。声学有限元法以三维
9、Helmholtz方程为理论基础，也越来越多的应用于压缩机气流脉动分析中。 Chen 和 Huang 采用声学有限元法分析了滚动转子压缩机消音器内的压力脉动，并通过优化压缩机的消音器的传递损失，降低了压缩机在 1 600 Hz、 2 000 Hz 和 3 000 Hz 处的压力脉动幅值。 Nieter 通过传递矩阵法和三维有限元法分析了滚动转子压缩机机壳排气腔的声学模态，并在此基础 上研究了压缩机内部压力脉动。 Park 等运用有限元与模态展开相结合的方法分析了车用斜盘压缩机吸气腔内的压力脉动并对压缩机脉动源进行了定位与辨识。 总之，频域模型在计算效率和计算稳定性方面具有一定的优势，但是文献指
10、出当系统处于共振范围内时，由于系统的阻尼呈非线性变化，会导致气流脉动计算结果的偏差较大。这主要是因为频域分析是建立在线性声学波动方程的基础上的。线性声波方程对于气流的性质进行了大量的简化，忽略了气体惯性，粘性和传热等方面的影响。这些简化在压缩机气体热力性质变化不剧烈的条件下是合理的，研究表明当 压缩机气流脉动的幅值大于 8%时继续采用线性声学波动理论会导致不合理的计算结果。因此。为了更为全面地分析压缩机气流脉动，还需要考虑结合时域分析方法。 4 压缩机气流脉动时域分析方法及应用 由于压缩机气流脉动时域分析模型是建立在求解非定常流体力学方程的基础上的，保留了流体的非线性特性，因此，采用时域模型会
11、克服频域模型对于系统阻尼非线性变化过程处理的不足。随着计算机技术的进步，采用时域法建立压缩机工作过程及气体流动过程的数值计算模型，分析各种类型压缩机气流脉动规律的研究在近年来逐渐增多。国内外 许多学者开展了相应的工作。压缩机气流脉动时域分析方法最初是基于一维非定常气流基本方程的。 Deschamps 等建立了一维计算流体力学（ Computational Fliud Dynamics， CFD）模型分析压缩机缓冲腔内压力脉动规律，与频域声学模型相比，这种一维 CFD模型考虑了缓冲腔内的摩擦损失和温度变化对压力脉动的影响。 Prez-Segarra 等建立了压缩机工作过程的一维变质量系统的 CF
12、D模型，通过与阀片动力学模型耦合，分析了小型封闭往复式压缩机的气流脉动规律，并与试验结果进行了对比分析。李连生 等 人采用一维非定常气流数值方法分析了涡旋压缩机排气气流脉动规律。 一维 CFD 分析方法虽然具有计算方便等优点，但是由于其只考虑了主流方向上的气流脉动，因此对于气流通路几何结构较为复杂的问题误差较大。随着计算流体力学的不断发展，三维 CFD方法在压缩机气流脉动分析领域也得到了越来越多的应用。在这方面， Fagotti 和 Possamai 首先建立了压缩机吸气缓冲腔的三维 CFD 模型并采用商用 CFD 分析软件 Fluent 分析了腔内的压力脉动和压力损失，他们指出边界条件，湍流
13、模型和数值求解方法对于压缩机气流脉动的分析的 精度有较大的影响。 Kerpicci 和 Oguz 通过建立瞬态的三维 CFD模型分析了往复式压缩机吸气腔内压力和容积变化规律，得到了阀片的升程曲线。在其他类型的容积式压缩机方面， Mujic 等运用三维 CFD方法分析了螺杆压缩机排气腔开孔形状对气流脉动的影响规律，通过对排气孔面积和位置的优化，使压缩机排气腔内的压力脉动幅值下降了 5 dB。冯健美 等采用准静态假设，采用三维 CFD 方法分析了涡旋压缩机排气孔对压力脉动的影响。 Cyklis 提出了一种基于三维 CFD 方法的拉普拉斯变换传递矩阵模型，并运用该模型分析了压缩机气流脉 动，通过实验
14、进行了验证。有关专家将这种基于拉普拉斯变化的传递矩阵方法与 CFD中的两相流分析方法相结合，使之可以应用到含有液体污染物的气流脉动 CFD分析中，并与实验结果进行了对比，取得了较好的一致性。 5 结 语 从以上的有关压缩机气流脉动时域分析研究可以看出，大部分的 CFD 研究都是针对具体的研究对象，研究的结论并不具有普遍适用性。另一方面，时域分析方法和频域分析方法都相对独立，并不能合理地利用频域分析和时域分析各自的优势。在时域分析方法中，时域模型对非线性的气流脉动的处理具有一定的优势， 但由于其基于非定常的流体力学方程，而气流脉动的分量相对于流场的平均值都比较小，通常其双振幅值低于平均值的 10
15、%，这就要求对压缩机模型网格精度要求很高。另外，当分析高频的气流脉动时，为了得到准确的分析结果还需要根据采样定理选择相应的时间步长，当气流脉动的频率比较高时，对时间步长的要求就很高了。而频域分析方法是建立求解线性波动方程的基础上的，相对需要的计算资源相对较小。因此，基于时域分析和频域分析方法各自的优势，建立 CFD和声学分析相结合的压缩机气流脉动分析方法，是分析压缩机气流脉动问题的一种新的思路。 主要参考文献 Elson J， Soedel W. Simulation of the Interaction of Compressor Valves with Acoustic Back Pres
16、sures in Long Discharge Linesn J，Tramschek A.Prediction of Valve Behaviour with Pulsating Flow in Reciprocating CompressorsC/Proceedings of International Compressor Engineering Conference at Puraum J.Natural Frequencies and Modes of Gases in Multicylinder Compressor Manifolds and Their use in Design
17、C/Proceedings of International Compressor Engineering Conference at Puredel W. Mathematical Modeling of Multicylinder Compressor Discharge System Interactions 任廷荣，孙嗣莹 .气阀对活塞式压缩机气流脉动的影响 J.流体机械， 1987（ 10） . 石华鑫，任延荣，孙嗣莹 .活塞式压缩机热力计算的新方法 工作过程的计算机模拟 J.西安交通大学学报， 1988（ 4） . Zhou ZC， Hamilton JF.Multicylinde
18、r Reciprocating Refrigerating Compressor ModelingC/Proceedings of International Compressor Engineering Conference at Purhwerzler D. Simulation and Design Studies of a Multiple Cylinder Refrigeration CompressorC/Proceedings of International Compressor Engineering Conference at PurSingh R. A Computer
19、Simulation Study of Compressor Tuning Phenomenal N， Adams D， Park J. Uncertainty and Sensitivity Analysis of Gas Pulsations in the Suction Manifold of a Multi-cylinder Automotive CompressorC/Proceedings of International Compressor Engineering Conference at PurJ， Soedel W. New Iterative Scheme in Com
20、puter Simulation of Positive Displacement Compressors Considering the Effect of Gas PulsationsSoedel W.Convergence of Gas Pulsation Simulations when Combining Time and Frequency Domains IterativelyC/Proceedings of International Compressor Engineering Conference at Purdel W.Theoretical Gas Pulsation
21、in Discharge Passages of Rolling Piston Compressor， Part I： Basic ModelC/Proceedings of International Compressor Engineering Conference at Pur W. Discharge Gas Pulsations in a Variable Speed CompressorC/Proceedings of International Compressor Engineering Conference at Pur 袁毅凯 .旋转式压缩机消音器内压力脉动研究 D.西安：
22、西安交通大学， 2005. Kim J， Soedel W.Analysis of Gas Pulsations in Multiply Connected Three-dimensional Acoustic Cavities with Special Attention to Natural Mode or Wave Cancellation Effects， Soedel W， Gilliam D， et al.On the Permissibility of Approximating Irregular Cavity Geometries by Rectangular Boxes a
23、nd CylindersC/Proceedings of International Compressor Engineering Conference at Purrametric Studies of Circular Expansion Chambers using Four-pole Matrix Approach while Considering Higher Order Mode Effectsint Chen L， Huang ZS. Analysis of Acoustic Characteristics of the Muffler on Rotary Compressor
24、C/Proceedings of International Compressor Engineering Conference at Pur Kim HJ. Internal Acoustics Modeling of a Rotary Compressor Discharge ManifoldC/Proceedings of International Compressor Engineering Conference at Purilal N， Adams DE. Gas Pulsation Reductions in a Multicylinder Compressor Suction
25、 Manifold using Valve-to-valve Mass Flow Rate Phase Shifts 王中振 .基于一维非定常可压缩流动的气流脉动数值模拟及实验验证 D.西安：西安交通大学，2011. 徐斌，余小玲，冯全科 .活塞压缩机管道气流脉动修正模型的建立及实验验证 J.压缩机技术， 2009（ 5） . Deschamps C， Possamai F， Pereira E.Numerical Simulation of Pulsating Flow in Suction MufflersC/Proceedings of International Compressor
26、Engineering Conference at Pura C， Rigola J， Oliva A.Modeling and Numerical Simulation of the Thermal and Fluid Dynamic Behavior of Hermetic Reciprocating Compressors Part 1： Theoretical Basis 李连生，束鹏程，黄炯，等 .涡旋式压缩机排气系统气流脉动现象研究 J.应用力学学报， 1997（ 3） . Fagotti F， Possamai F.Using Computational Fluid Dynamics as a Compressor Design Toolference at Pur
