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基于流固热耦合仿真的微型空压机风冷系统

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M icro-compressor air-cooling system basedon fluid-solid thermal coupled simulationChen Jiandong Sun Beibei(School of Mechanical Engineering,Southeast University,Nanjing 21 1 189,China)Abstract:In order to solve the overheating of micro-compressor cylinder cover,a numerical modelto compute airflow field and temperature field is set up according to the theory of fluid-solid coupledheat transfer.A numerical model of axial-flow fan is also set up.The numerical simulation resultsshow that the airflow channel design of the original micro-compressor is unreasonable,and the re-flow of cooling air at motor frame is severe which affects the cooling performance of cylinder cover。

By changing the blowing direction of the axial-flow fan,the problem of cooling air reflow is solved。

Also,by optimizing the size of outlets and the parameters of the fan,the flow of cooling air is in-creased.Through these measures,the flow of cooling air is increased from 13.55 g/s to 23.51 S,and the temperature of cylinder is decreased from 388.9 K to 362.9 K.Thus.the overheating of mj-cro-compressor cylinder cover is solved。

Key words:micro-compressor;fluid-solid therm al coupled simulation;numerical simulation;axial-flOW fan微型往复活塞式空气压缩机(简称微型空压机)是通过活塞在活塞缸内往复运动压缩气体,将机械能转化为气体压力能的装置,目前广泛应用于家庭装潢、医疗器械等方面.与大中型空压机以水冷的冷却方式不同,微型空压机由于其结构和经济等方面的原因,-般采用风冷式冷却.风冷式冷却的表面传热系数约为水冷式冷却的 1/40,冷却效率低,故空压机内部零件散热困难.空压机内部温度过高-方面影响零件问润滑,导致零件磨损加剧,寿命缩短;另-方面提高了空压机功耗,降低了压缩效率;甚至为发生火灾留下了安全隐患.因此研究微型空压机风冷却技术对于改善空压机内部的热环境、提高其工作性能具有重要意义。

微型空压机 内部空间有限,空气流道极其复杂,电机、活塞缸以及缸盖处空气流动与传热现象相互耦合,因此建立完整、精确的计算空压机内部收稿 日期:2012-06-27. 作者简介:陈建栋(1988~),男,博士生;孙蓓蓓(联系人),女,博士,教授,博士生导师,bbsun###seu.edu.cn。

基金项 目:江苏拾六大人才高峰”资助项 目(1102000137)。

引文格式:陈建栋,孙蓓蓓.基于流固热耦合仿真的微型空压机风冷系统[J].东南大学学报:自然科学版,2013,43(1):65-70.[doi:103969/j.issn.1001-0505.2013.叭.013]东南大学学报(自然科学版) 第43卷流惩温度场的模型比较困难 .目前的研究以实验法为主,主要探讨了缸盖处翅片高度、疏密对缸盖风冷却效果的影响L3 J,而未能从空压机整机出发,研究空压机内部流道对整机冷却效果的影响.本文首先推导了活塞缸与缸盖处的散热计算公式,并基于流固耦合传热理论 刮建立了计算整体微型空压机内部温度惩流场的数值模型。

本文研究对象为 6G微型空压机,该空压机工作时缸盖处温度过高,导致排气温度过高,零件损坏严重等-系列问题,严重影响此机的工作效率。

通过数值模拟此空压机内部流场以及温度场分布,分析了缸盖处温度过高的原因;同时,针对发现的问题优化设计了出风口尺寸以及风扇的吹风方向;最后重新设计了冷却用的轴流式风扇,提高了风扇流量,进-步提高了空压机的冷却效率。

1 数值模型的建立1.1 几何模型与网格划分利用 CAD软件 SolidWorks建立空压机泵头的几何模型.如图 1(a)所示,动力由电机通过大、小带轮传递,大带轮带动连杆活塞机构压缩活塞缸内气体,压缩气体由缸盖右侧的排气口排至储气囊中(储气囊在泵头下方,模型中未建立).电机右侧为-轴流式风扇,实现强迫风冷。

在前处理软件 Gambit中,考虑到结构的复杂性,将固体和流体区域采用非结构化四面体网格划分,同时为了提高计算结果的可信性与计算效率,在流固耦合区域细化网格.网格总数为 1 228 234,如图1(b)所示.各零件材料特性见表 1。

表 1 零件材料特性(b)有限元模型图1 微型空压机几何及有限元模型1.2 边界条件确定1.2.1 体热源边界微型空压机热源主要有2处 :活塞缸和缸盖产热以及电机产热。

1)活塞缸和缸盖产热活塞缸与缸盖作为整体,常温空气从缸盖进气口吸入,在活塞缸内压缩后,高温压缩气体由缸盖排气口排出,整个过程能量传递为Wt。 U Q (1)式中,w 。 为空压机运行-个周期活塞对气体所做的功;U为气体内能增加所需的能量; 为维持空气流动所需的能量;Q为气缸和缸盖耗散的热能 。

活塞对缸内气体做功可分为余隙膨胀过程、吸气过程、压缩过程以及排气过程.余隙膨胀过程是气缸内剩余压缩气体自由膨胀的过程,此时活塞对气体做负功,即 - [p ( ) -p。]A (2)式中,We为余隙膨胀过程中活塞对气体所做的功;f。

为间隙余量;p 为排气压强; 为大气压强;A为活塞面积; 为多变系数; 为余隙膨胀止点的位置。

吸气过程为等压过程,活塞对气体所做的功为Wi0 (3)式中, 为吸气过程中活塞对气体所做的功。

压缩过程活塞对气体所做的功为 肌 - (4)式中, 为压缩过程中活塞对气体所做的功;f 为活塞上行止点位置;14为压缩过程至排气过程的临界点位置。

第 1期 陈建栋,等:基于流固热耦合仿真的微型空压机风冷系统 67排气过程为等压过程,活塞对气体做的功为Wo(P。-p。)(f -f。)A (5)式中,w。为排气过程中活塞对气体所做的功。

活塞对气体做的总功为Wto WeWiⅥ,oⅥ,0 (6)在整个过程中,气体内能增加所需的能量为UCm( -ro) (7)式中,c为空气的平均质量热容;m为压缩气体的质量;ro为进气温度; 为排气温度。

维持空气流动所需的能量为 (P 0 -Po00)m (8)式中, 为压缩前空气的比体积;0 为压缩后空气的比体积。

通过式(1)~(8),计算出空压机运行-周期气缸和缸盖耗散的热量 Q,则气缸和缸盖的平均体产热率为个标准大气压.原空压机机壳各进出口如图 2所示.环境温度设定为 300 K.采用标准的七-s模型封闭湍流控制方程 ,Thenrlal Energy模拟空压机内部传热.采用 SIMPLE算法求解湍流方程及能量方程。

进口2进口4出 口出 口口3 出口出口口5 出口出 口6(a)进口位置 (b)出口位置图2 压力进出口位置Oc- (9) 2 仿真结果及分析式中,r为空压机大带轮转速;Vc。为气缸体积;V 。

2)电机产热电机产热主要包括 2部分:铜耗和铁耗产生的热量。

① 铜耗产热计算P ∑ R (10)式中,P 为电机铜耗的产热; 为通过各绕组的电流;R 为各绕组的电阻。

② 铁耗产热计算PFe FeGFe (11)式中,P 为电机铁耗的产热; 为由于硅钢片加工、磁密度分布不均等而引起的损耗增加因子;p 为单位质量的铁耗,也称比损耗;G 为铁芯净用铁量。

通过式(10)和(11)计算出铜耗与铁耗产热,除以对应部分体积得到铜耗和铁耗的体产热率分别为ac 420×10 kW/m 和 aFe:330×10 kW/m 。

1.2.2 风扇边界本文利用流体动力学计算软件 FLUENT中的FAN边界模拟电机冷却风扇的作用,通过数值模拟风洞实验获得的风扇压升为 1 14 Pa。

1.2.3 耦合边界所有双边壁面均定义为耦合边界,包括流体和固体发生对流的交接面,固体和固体导热的交接面,在耦合面上发生各个物理量的耦合传递。

1.2.4 初始环境及求解策略采用压力进、出 口边界,初始压力设定为-以活塞缸底部圆心为坐标原点,Y轴为活塞运动方向,Z轴与电机主轴平行, 轴垂直于 Y轴与Z轴.图3分别给出了空压机内部 0流场速度矢量和温度场分布图.常温冷却风从右侧进风口进入,经过风扇后从电机定子与转子之间的间隙通过,冷却电机,同时冷却风自身温度逐渐升高.冷却风经电机后,-部分绕过机架、活塞缸、连杆等部件由左侧出风口流出;另-部分撞到机架后,在机架处回流,回流冷却风温度较高,流动方向杂乱,导致速度/(m .s- ):13.712.310.9疆 9。

(a)流场速度矢量图(b)温度场分布图图3 空压机流场速度矢量和温度场分布图htp://journa1.seu.edu.cn∞ ∞3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 温 。藩激 l。

68 东南大学学报(自然科学版) 第43卷电机左侧区域的空气温度较高,

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