文摘
作者在这里扩展0 d-1d thermofluid动态仿真方法来描述现象的内部体积的机器,繁殖管道中压力波的传播。本文报告首先分析这些现象的往复式压缩机。第一部分提出了一个详细的实验分析一个开放型的往复式压缩机配备内部传感器。第二部分描述了一个0 d-1d thermofluid压缩机的动态模拟。比较放电质量流率的计算和测量值显示了压缩比结果吻合良好。然后,为了提高模型拟合在更高的压力,已研制出的一种新方案通过环包量预测漏气。这个模型是基于一系列的卷和链接这模拟环的运动在凹槽内,而环动态使用的数据实施文学对内燃机漏气。比较实验和计算数据获得的验证是两缸发动机窜漏。验证后,一个新的压缩机质量流率的比较显示了更好的拟合后的曲线在高压缩比。
1。介绍
1.1。背景
容积压缩机,替代和旋转,代表一个元素的大型公用事业在国内和工业应用领域,尤其是制冷循环(1,2]。在当今世界,能源优化是至关重要的,因此,它是至关重要的发现工具可以支持计划阶段增加这些机器的效率。想象,产生电能,大约11%的今天是注定国内制冷功率(3]。本文报道的方法模拟0 d-1d流体动力现象发生在体积机器,注意问题的研究结果与体积往复式发动机,未来将扩展扶轮。多年来,使用最广泛的和可靠的方法是经验(4),因为物理现象的复杂性,发生在热机器。这是因为功能全容积式压缩机的性能不是静止的,而是周期性的;控制管道的质量输运方程不是线性的,所以他们无法解决的一种分析方法。然而,计算机的发展潜力和theoretical-numeric方法提出一种新方法,基于流体动力模型的使用。这些模型分为不同的复杂性。根据用户的需求,有半经验模型的方程是研究重点实验的结果(3),简化分析模型,在工业领域很常见(2描述整个压缩机)。最后,有更全面的模型(4- - - - - -6),由微分不是静止的方程与单个卷机的分裂。全面模型是非常重要的研究领域,因为他们允许我们研究许多现象发生在机器内部。例如,它是证明通过排放管道的压力波,也控制的动态自动或控制阀门(7,8),是一个从往复式压缩机噪声辐射的主要来源。这些参数的检测治理这些脉动会导致仪器的发展可以减少这种噪声辐射。由于这种方法,大幅削减成本和开发时间,允许在短短的时间之内许多功能和结构参数的灵敏度分析显示最好的解决方案进行测试实验。
1.2。Thermofluid动态仿真的目标
从这个角度看,在过去的二十年6,9- - - - - -25),0 d-1d流体动力仿真软件开发替代内燃机的硬币。基于流的解析方程在管道的圆柱体,采用一维图式化,而能力变量体积条件(圆柱体)是通过域的方法,解决认为空间坐标变量不会改变,但他们只是一个时间的函数。通过使用这个工具,在本工作的第一部分,一个新的方案提出了一种采用v型双缸压缩机之时的仿真,从机器的构造特点的知识。特别是,试验台的布局是复制,固定的测试进行,提供了压力的平均值,温度,气流出口。对比实验和模拟值允许第一次检查的结果。然后,研究了“漏气”,这是漏气的现象,发生压缩室与曲轴箱之间由于活塞之间的间隙,缸套,戒指。为此,从(8),从当前内燃机内的环动态知识(26),模型模拟压缩机内的“漏气”已经实现。实现的目标如下:(我)提高可预测性的0 d-1d模型引入方案考虑了泄漏在汽缸容积压缩机,(2)提供一个指示性的框架内的流体动力学现象发生活塞密封系统,也与部分动态,(3)提出一种新方法体积机器模拟考虑泄漏现象不是微不足道的,尤其是在旋转的机器。
2。实验装置
压缩机的理论和实验分析的对象是一个FIAC V254,双胞胎往复式v-unit总位移是165厘米3。图1代表设备的布局进行了测试。压缩机(2)移动的三相异步电动机(1)2.2千瓦导致1500 rpm的名义速度通过变频器(15)。电动机和压缩机是由挠性联轴节连接。压缩机为50升舱(4)。
冷却线圈(3)压缩机和水箱之间放置冷却空气质量流量才能进入。热交换器的下游是放置在一个人工纹理阀(5),有必要进行恒压测试和空坦克在会议的结束。后的纹理阀装在一个容积式流量计(10)。在表1在10固定测试,数据收集,每个测试以恒压在水箱(27]。
3所示。数值模型:代码
分钱研究人员开发的计算机代码最近一直工作,评估组件的匹配和缸内和管道流程(估计6,9- - - - - -25]。代码,模块化的类型,可以很容易地处理不同的引擎配置(即。、单或多缸压缩点火发动机(13- - - - - -15),二冲程火花点燃式发动机(6,10,11,19,24),如四个中风,吸气或增压(18,20.,22,23),等等)。此外,三维模型在缸集成如KIVA [15- - - - - -17,22,24),评估三维瞬态现象。
零维模型
采用填充和排空技术计算时变条件变量卷设备(即内部。,cylinders, displacement compressors, etc.) The general formulation of the governing equations for mass and energy balance within a control volume is shown below. Particular care was paid to the determination of gas properties: The mass equation has been split into three equations (1),(2)和(3),分别考虑总质量平衡和残余和燃料的质量分数:
能量方程是正确地重新安排正确的气体混合物性质计算:
方程组(1)- (5),为每个控件编写的体积,解决了由一个四阶龙格-库塔在每个时间步方案。采用相同的技术条件的初步评价内部进气和排气系统。
方程组,写给每一个控制体积,解决由一个四阶龙格-库塔在每个时间步方案。
一维流模型
被广泛引用的论文中描述,该模型是基于一维非定常可压缩流通过外部管道,因此,能够描述波传播控制各缸的填充。质量、动量和能量平衡方程在保守的形式(6)的TVD格式方法9,28]。条款,在方程系统(6分别)、密度、速度、压力、能量和总焓/质量单位。
进一步的化学物种和平衡方程和,这表明废气和燃料的质量分数,写评价吸入阀关闭时的气体混合物。该系统解决了通过使用一个“热力学状态”表模拟气体,这个表是包含在软件。
源项的向量,年代考虑的影响变量部分管(),摩擦的影响(),热交换()中描述6]:
动态簧片阀模型
为了预测机器的行为也在不同的操作条件下,代码必须能够执行一个完整的仿真系统只基于几何参数。其中,通过簧片阀流模型,开发了,这个计划非常简单。进口和出口管道上的阀门放置,压差产生偏转,作为一个简支梁含有均匀分布加载(图2(一个))。
他们的偏转允许气体流入或流出。
例如,让我们考虑出口阀(数据2(一个)和2 (b)):曲轴箱压力推动阀的一侧,而放电管压力行为相反的方向。只要在曲轴箱排放管压力超过压力,簧片阀提供了两卷之间的密封。当曲轴箱压力超过排放管,阀门将给予一定的流截面积。
如上所述,簧片阀被视为简单的支撑梁加载负载均匀分布时,总压强成正比的区别曲轴箱和管宽度””的簧片阀:
因此,簧片阀的动态行为可以被模拟为一个系统,质-弹的微分方程
在哪里里德花瓣质量;是瞬时位移;阻尼系数;是等效刚度;同样是集中荷载给出了偏转的分布式负载。
通过求解(9),同时1 d流的热力学方程,计算挠度的瞬时横截面面积来估算机器的质量流量。
重要的是指定,在考虑压缩机的情况下,由两个钢支架花瓣偏转是有限的,允许的最大升力2毫米。等效刚度可以通过施加相同的估计偏差之间的两个计划(图3),被集中负荷引起的挠度。
最后,结果是。在缺乏实验数据的情况下,一个恒定的流量系数被用于所有负载条件下。通量是等熵直到限制部分,然后等压阀的下游。喉咙的压力是通过质量流量之间的平衡缸和相邻的管道。彻底验证这样的子模型很难执行实验并发症造成的,然而,间接验证了面对实际的质量流率而流离失所的压缩机和一个由代码。满足通信达到证明这子模型的使用。
(一)
(b)
边界条件
流的数值模拟在往复式发动机管道特点是时变边界条件,在阀内流区和热力学性质周边设备。此外,适当的流计算末站确保缸内的正确评价条件在气体交换阶段。最终边界的解决方案是由解决典型的兼容性方程沿马赫和路径线流进入或退出导管。
古典拟定的近似假定为确保一致性与流过进气和排气阀门,这在亚音速或声波流条件下发生。
输入的代码和解决方案
进行仿真,代码需要在输入一系列的卷,这代表了机器设置中,几何图形,和初始条件:每个元素与其他元素或外部环境通过链接可以恒定截面,港口,或者阀门(自动或控制)。边界卷集的影响,而在固定的热力学条件(例如,环境条件)。作为结果,提供的代码,在数组、瞬时和介质的热力学参数值在每个体积。
3.1。0 d-1d压缩机方案并与实验数据进行比较
一旦试验台布局和管道几何图形是已知的,可以创建一个0 d-1d计划(图4)在输入代码:进气管道连接到外部环境组AA,而管党卫军是连接到一个组在相同的条件下的控股坦克秋明石油公司。排泄管,R1和R2中的E2收敛汇集流来自两个汽缸。
thermofluid-dynamic模拟的10个固定测试表1被执行的代码,并且在图吗5它显示为数字特性曲线之间的比较(蓝线)和实验一(红线)。的设在相关联的质量流率(SR体积测量和预测),设在压缩比()。
特点是预测很好,曲线(图5)似乎重叠有轻微差异,这个问题可能是由于阀门的泄漏和活塞环在现实情况。
在图6,显示预测两个气缸压力图,它表明,放电阶段的周期中,压力是高度可变的压力波传播的排泄管,观察压力曲线的放电管(虚线,图7)。
如前所述,压缩机是一个双胞胎V-unit,这意味着气缸发生的放电时间间隔90°(图6)。
很明显,这种现象迫使压缩机达到更高压力方式(7条循环II,约7.2酒吧周期我)的介质排放压力(约5.3酒吧在S1和S2导管)。
两个周期之间的联系是明确的,观察图7第二缸的放电阶段如何产生一个压力波(峰值约为80°的光blue-dashed线)影响缸内压力在放电阶段。这发生由于放电发生在一个卷高度可变的压力。同样的效果更减第二缸有更多的时间因为关闭缸我放电,使压力波转储。
这一分析表明,这种建模方法,可以正确地设计管道上游和下游压缩机为了减少压力波,从电机在要求更多的权力,减少质量流率,并导致增加噪音在操作期间。
4所示。漏气
为了提高建模方法的准确性,它被认为是衡量漏气由于一个不完美的密封活塞和汽缸之间发生,这一现象在文学称为“漏气”[26]。
活塞密封系统基本上由部分,也称为活塞环;这些都是开放的金属平环,他们有两个主要功能:提供一定的密封压缩室,减少能量损耗控制和水平气缸套上的润滑剂分布,减少消费和摩擦损失。Piston-Ring-Liner系统(PRL)可以分成不同的卷由它们的相对位置确定在密封段:第一个区,附近的活塞;第二和第三区,坐落在两个戒指;曲轴箱区,放置在OCR和曲轴箱;第一、第二凹槽和OCR槽,这背后的卷放置段(图8)。
内报告细分方案,可以解释的代码使用,相当于卷和能力确定他们机器的框架内实现了。如前所述,可以发现两种体积的光杆载荷系统:(我)“区域”的环形管道被活塞直径和圆柱壳之间的间隙,(2)“凹槽”所确定的量的环的内表面之间的距离和活塞槽的底部。
请注意,在这工作二次运动的活塞不考虑流的识别部分,导致部分方差每时每刻在一个循环。由于“区”有一个环形部分,它被确定在一个当量直径和摩擦系数的修正系数,所以可以匹配压力下降管与真正的压降(29日]。
如果不是圆形,部分等效水力直径必须使用;这个新获得的直径是方程: 因此,对于环形截面管道(29日]: 环形部分管道、摩擦系数的修正系数可考虑(29日), 关于“活塞环开口间隙”,有非常复杂的现象发生,来自两个区和从十字架槽的内部,以及线段的相对变化,会导致润滑剂在洞里的积累。
因为这个工作的目的不是特定流过的差距的分析,选择一个简化的模型:在图9,之间的差距几何和气体流量是一个区域到另一个通过的空间。
间隙内的压力假定等于槽内的压力,而气体流经过的差距可以表示通过一个孔等熵流方程,所以决定将这个元素包含在槽之间的几何计划作为一个港口和相关区(30.]。流过的差距集建立不同区域之间的压差,因此,也影响环动态。
4.1。环槽内动态
气体流环的动态密切相关,它像一个端口打开只有当分开两槽的墙壁。开幕式是禁止工作预测没有任何实验反馈,只是认为三个组件部分的相对位移可以确定:轴向,径向和角。每一个是由一个系统的力量变化每时每刻。本文用一维模型的局限性,已经集中在轴向位移。轴向力在一段期间周期确定如下(图10):(我) :石油和天然气压力上下段;(2) :气缸套与活塞之间的摩擦;(3) :由于活塞替代运动惯性;(iv) :线段之间的接触力和槽。
这些力量合成的相对轴向位移引起槽内的部分(31日]。
从更广泛的文学在内燃机“漏气”,找到一个类比环动态,可以假设环的两个位移模型:(我)稳定模型:所有段位移遵循群众振动惯性力的趋势;(2)颤振模型:部队合成压缩最后阶段期间多次改变符号,导致不规则的振荡槽内的部分。
这两个模型用于假设和法律实施的转变中描述的“阀门端口”随后的段落。
4.2。光杆载荷系统夏天的和0 d-1d方案
在这一点上,PRL的合成系统,零和一维物体组成的一卷。区域,根据先前做出的假设,是环形截面管道,代表尽可能好的凹槽选择,相反,强能力,与邻卷通过两种不同的部分:(我)一个变量部分由于段轴向位移,正如之前所说的,可以用一些“控制阀”端口类型,设置了更多的拨款转变;(2)常数部分港口不仅代表通过活塞环开口间隙流动,而且穷人之间的密封壳部分,由于一个不均匀的表面。
此外,考虑耗散现象发生在流经的差距,一个固定流因素是实施常数部分链接。
4.3。PRL方案验证
验证的PRL计划系统刚刚描述的“漏气”,几个方案已经测试了四冲程两缸发动机(表2报道),实验数据与“漏气”流量。首先,PRL电路“漏气”策划了一个一维管圆截面,其直径被认为是二次的平均直径来接收实验“漏气的流量。“对比实验流量和数据由于简化方案的特点是一个一维管和定径等于介质二次图所示12。
从图12模型,可以注意到,显然,“漏气”流量的平均价值的足够的实验数据,但并不代表每一个加载速率。
这是证明了环动态作用是至关重要的预测“漏气”流量。因此,它实现了一个详细的光杆载荷系统方案根据压缩机在前面段落的逻辑描述,如图11。该方案实现了通过活塞的几何数据,气缸、活塞环、气缸和活塞之间的热耦合。
环运动的凹槽是强加的,根据稳定模型,由两个对称的转变法律插值曲柄角720度,基于上述稳定模型:根据实验测量活塞环运动实施报告(26]。
漏气的质量流率得到的PRL方案与rpm如图13(红线);虽然详细的计划似乎没有提供更好的结果比简化,注意输入的第一只PRL几何,而简化的方案需要实验数据。
通过比较(在图13)(红线)与实验数据(蓝线),它可以指出流量预测到4500转;在这可能rpm的颤振现象进行干预26),这将严重影响“漏气”流量。符合作者意图实现活塞环动态模型在接下来的工作,所以它可以验证,如果流量超过4500 rpm将颤振现象。
5。漏气模型压缩机
分析后进行替代内燃机,详细的PRL计划(图11),对活塞环动态、附着到稳定的模型,被认为是充分预测“漏气”现象进行一些分析对压缩机特性曲线的影响。在这里,在图14显示完整的0 d-1d计划使用的代码模拟正常的压缩机位移(秋明石油公司集)和通过环包系统泄漏(横向AA组)。
在图15,获得特征考虑的影响“漏气”压缩机(光绿线)比较与先前获得的特征而不引入“漏气”计划。结果表明,曲线几乎重合,这意味着这种现象实际上是当压缩机使用低压缩比无关。更高的价值,相反,“漏气”现象的特点获得模拟压缩机维护一个斜率几乎巧合与实验曲线,更好的解释了实际机器的行为。
在图16,压力趋势在汽缸和PRL的区域系统,称为“凹槽”,在活塞环住宿、报告。在图11,即时压力在这些区域内汽缸压力的趋势,达到,然而,山峰一定较小。
正如前面提到的,这是由于强烈影响流率的环差距,尽管强烈损失,实现连续压缩室之间的联系和活塞与缸筒间的区域。当我们从曲轴箱缸,压力曲线往往假设环境压力的价值,这是条件(假定均匀)曲轴箱。巧合的段位移(约。112度,在图16),有一个压降的优越和每个槽的劣质频道,生成流量峰值(图17)。压缩期间发生的通过活塞环,位移向段上边缘。
在图17,也观察到有一些周期阶段哪里有反向“漏气”(约135度)。特别是,在扩张阶段的结束,当第一个区域是一个压力高于压缩室,气体的一部分回流到压差就消失了。类似的论证也是有效的中间区域,沿整个进气阶段受到“漏气”流的逆转即使是最小值。
从图16,也观察到有大间隔,和气缸之间的之间的各种区域和自己,宽生成,产生相反的力量惯性力段,导致颤振现象。
现在,可以执行一个有趣的分析参数的PRL卷的颤振。一系列的波动一直假设第一环在压力增加的情况。在图18压降波动发生的地方,可以观察到,尤其是在前两个区。
我们可以看到在图19,漏气质量流率已经不再这个峰值在一个单点,但是有几个峰值发生在同一时间,环的摇摆。这一现象表明,漏气深受环动力学,特别是如果在轮轴戒指是不稳定的。
6。结论
这项工作提高了仿真的精度计算流体动力学现象的体积的机器。1 d过程提出和验证与实验数据来自压缩机的容量选择。此外,PRL系统方案实施“漏气”模拟。这个方案中,基于动态实施“稳定”的部分,使得改善压缩机的繁殖特点,除了;可以进行第一次CFD分析汽缸和活塞之间的空腔内。令人鼓舞的结果,它被认为是合适的,发展一段位移的预测动态模型上实现0 d-1d仿真软件,这将提高模型预测在所有操作条件。
首字母缩略词
| 0 d: | 零维 |
| 1 d: | 一维 |
| TVD: | 总变差减小 |
| 光杆载荷: | 活塞环与气缸套卷 |
| 光学字符识别: | 控制油环。 |
命名法
拉丁| : | 环境压力 |
| : | 环境温度 |
| : | 储罐压力 |
| : | 油温 |
| : | 簧片阀缸内压力 |
| : | 簧片阀的出口压力 |
| : | 储罐压力 |
| : | 环境压力 |
| : | 汽缸顶部间隙 |
| : | 位移量 |
| : | 等效水力直径 |
| : | 环形截面摩擦系数 |
| : | 圆形截面小说因素。 |
| : | 压缩比 |
| : | 理论最大压缩比。 |