商用水冷螺杆机组内置油分离器性能研究

胡东兵，岳清学，杨旭峰，张 营

(广东珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070)

现有商用水冷螺杆机内置油分离器不仅能保证压缩机的供油量正常，还能将进入冷凝器的油量降至最低，最大程度上保证压缩机的正常运行以及系统换热的高效性，但是现有油分离器结构复杂，噪音大等问题。随着行业标准的不断提高，现有的油分无法完全满足需求，因此现有的油分离器结构急需优化[1]。本文基于计算流体力学技术(CFD)，采用Fluent软件对商用水冷螺杆机内置油分离器展开仿真研究，分析混合有油滴的冷媒在油分离器内的流场分布，追踪液相油滴的运动轨迹，分析油滴粒径、油滴流量、气流速度对油滴分离效率的影响。

1 研究模型

图1为应用于商用螺杆机组内置油分离器的三维实体模型。通过油分离器的冷媒气体和螺杆压缩机用润滑油在工作状况下的特性参数如表1所列。

图1 油分离器三维实体模型

表1 介质特性参数

介质R134a润滑油密度/ kg·m-344.9800粘度/ kg·(m·s)-11.3·10-5-

2 数学模型

数值流体计算通常采用两种方法来描述流体物理变量：一种是欧拉法，该方法认为流体的物理变量随空间点及时间而变化；另一种是拉格朗日法，该方法认为流体质点的物理变量随流体质点及时间变化。因此，可以把压缩机排气混和物中的气态冷媒认为是连续相，用欧拉法来描述其运动特征，而把油滴认为是离散相，用拉格朗日法来描述其运动特征[2]。

2.1 连续相计算模型

携带有油滴的冷媒气体在油分离器内的流动是一个复杂的多相旋转流动。

目前，Fluent中用于计算湍流的模型有：标准的双方程模型(k-ε模型)、重整化双方程模型(RNGk-ε模型)以及可实现双方程模型(Realizablek-ε模型)。由于重整化双方程模型计算速度梯度较大的流场准确性更高，故本文选择该模型对问题模型进行求解[3]。重整化双方程模型基本公式如下：

Gb-ρε-YM

(1)

(2)

其中，

μeff=μ+μt

式中，Gk由平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb由浮力影响引起的湍动能产生；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；k为湍动能k的有效湍流普朗特数的倒数；ε为耗散率ε的有效湍流普朗特数的倒数；对于高雷诺数的C=0.0845。

2.2 离散相计算模型

由于冷媒中油滴含量极少，其体积分数低于10%，因此考虑用DPM模型来求解离散相。

在DPM模型中，油滴的受力主要包括曳力、浮力、压力梯度力及虚拟质量力作用，其运动方程可表示为：

(3)

其中，

FD=3πμgdp(ug-up)/CC

FG=mpg(ρp-ρg)/ρp

式中，FD为油滴所受曳力，FG为油滴所受浮力，Fp为油滴所受压力梯度力，Fvm为油滴所受虚拟质量力。

2.3 滤网计算模型

为准确计算油分离器压降，滤网影响不可忽略，本模型滤网采用多孔介质模型模拟，且忽略粘性阻力[4]。

(4)

式中，C2ij为系数矩阵C中的项；△ni为多孔介质在三个坐标方向的厚度。

3 数值模拟

3.1 简化假设

考虑工程实际情况，油分离器仿真模拟计算采用以下假设：

(1)忽略油滴之间相互作用力，考虑油滴与气相场相互作用，以及非稳定力(压力梯度力、虚拟质量力)对单颗粒运动的影响；

(2)筒体壁面与油滴接触即直接捕集，不发生反弹、凝并、破碎的现象；

(3)由于油滴体积分数小于10 %，忽略固相场对气相场的影响；

(4)实际工况中存在的润滑油溶解于冷媒现象会降低油分效率，因此假设油滴不溶于冷媒。

3.2 网格划分

网格划分工作对于CFD数值模拟的求解具有关键作用。网格质量的好坏直接影响数值模拟过程的稳定性、收敛性、速度及精度。对于内置油分离器，本文研究采用非结构四面体网格划分技术划分网格，同时采用局部加密技术对滤网区域以及流体进口等关键区域进行加密以保证计算精度。对整个流场区域总计得到795万个混合型网格单元，如图2。

图2 油分离器网格图

3.3 边界条件设定

(1) 对于连续相，计算采用速度进口边界条件和压力出口边界条件，近壁面用标准壁面方程处理，壁面采用无滑移边界条件，模拟过程使用分离算法求解，压力修正法采用压力耦合方程组的半隐式方法(SIMPLE算法)，这样使得结果易于收敛，而且稳定性好。

(2) 对于离散相的油滴，DPM 模型中进口和出口处采用逃逸条件，壁面采用捕捉条件，设置5组单分散油滴颗粒群进行数值计算。

表2 边界条件设定

表3 离散相设定

颗粒群编号直径质量流量一5 μm0.5 kg·s-1二15 μm0.5 kg·s-1三25 μm0.5 kg·s-1四15 μm1.0 kg·s-1五15 μm1.5 kg·s-1

4 数值计算结果及分析

4.1 连续相流场分析

采用Fluent对油分离器内部流场进行数值模拟计算后，得到进口截面速度矢量图。如图3所示，流体进入油分离器内部即开始进行高速运动，流体与正对壁面进行撞击，随后进行高速运动(如图4)。

图3 油分离器进口速度矢量图a

图4 油分离器进口速度矢量图b

4.2 滤网分析

由图5可知，滤网的加入使得流速分布均匀(约0.9 m·s-1)，通过计算获得内置油分离器压降为6 kPa，其中滤网压降为2 kPa。

图5 多孔板速度分布

4.3 离散相分离效率分析

单分散油滴分离器效率计算如下

(5)

式中，nt为捕捉到油滴数量，ne为逃逸油滴数量。

由表4可知，油滴直径越小，油滴的运动跟随性越强，惯性分离能力减弱，分离效率降低；压缩机排油量越大，油滴接触壁面几率增加，油滴分离效率增强；油分离器进口速度越大，离心作用增强，油分效率越高。

表4 不同进口速度条件下不同直径油滴分离效率/%

颗粒群编号进口速度12 m·s-114 m·s-116 m·s-1一71.573.576.5二80.283.285.2三100100100四83.585.587.5五86.489.492.4

5 结论

(1) 以RNGk-e模型为计算模型，对商用水冷螺杆机内置油分离器的旋转流场进行了数值模拟，分析油分离器内的流场结构特征。

(2) 用DPM模型模拟了油滴的运动轨迹，得出了不同粒径油滴的运动特征。油滴直径越小，油滴的运动跟随性越强，惯性分离能力减弱，分离效率降低；压缩机排油量越大，油滴接触壁面几率增加，油滴分离效率增强；油分离器进口速度越大，撞击作用增强，油分效率越高。因此，适当增大进气口速度可以有效提高油分离器效率，适当增加压缩机排气量也可以提高油分离器效率。

(3)油分离器对油滴分离作用包括撞击分离和滤网分离。除此之外，滤网在油分离器中起到了均流的效果，同时滤网压降在油分离器中占较大比重。