在往復壓縮機中，氣閥腔是受壓縮介質在氣缸中氣口與工作腔之間流通的必經通道。設計氣閥腔時要保證氣體流通順暢，流速控制在適當范圍內，減小壓力損失。氣閥腔結構，通流面積，以及壓閥罩的安裝狀態都會影響氣缸內介質的流通。
對于鑄件氣缸和鍛件氣缸，氣閥腔結構有較大的差別。鑄件氣缸按進排氣閥數量可分為一進一出、兩進兩出、三進三出等，進排氣數量相同的氣缸又可分為羊角缸、圓缸等多種形式，因此，形成了結構多樣的氣道和氣閥腔。鑄造氣缸可以設計并易于制成復雜形狀，氣閥腔和氣道通流面積較大，過度圓滑，有較好的氣流流通效果。鑄件氣缸的氣閥腔不作為本文研究的重點。
鍛件氣缸的氣閥腔和氣道是通過在鍛件毛坯上鉆、鏜等切削加工方法成形的，結構形式固定，且相對簡單。在氣缸設計過程中，為減小氣缸外形尺寸，節省材料，通常會控制氣閥腔尺寸。如果設計不當，就會造成氣體流通不暢，流速升高等問題。
對于壓閥罩結構而言，鑄件壓閥罩采用方窗作為氣流通道，一般通流面積較大，可以形成較好的氣流通道。鍛件壓閥罩采用圓孔作為氣流通道，考慮到本身尺寸和強度問題，圓孔不會設計很大，總面積與氣道通流面積相當即可。
通過上面的分析，對于高壓氣缸，即采用鍛件氣缸和鍛件壓閥罩的形式，氣閥腔內的氣流通道相對狹小，需要對其進一步優化設計，這種情況也是本文研究的重點。
本文采用流體動力學分析軟件CFX，對氣閥腔內的流場情況進行分析計算。通過改變壓閥罩安裝狀態和氣閥腔尺寸分別進行計算，總結出這兩種因素對氣流流動的影響情況，從而指導設計工作。
2、基于CFX的氣閥腔流場分析
計算流體動力學分析（CFD）是通過計算機進行數值計算的方法，模擬流體流動時的各種相關物理現象，包括流動、熱傳導、聲場等。
ANSYS Workbench中的CFD軟件包括Fluent、CFX和POLYFLOW。CFX從精確性、可靠性、并行能力和后處理來講，都要優于其它兩種。因此，本文選用CFX進行問題的研究。
s*先應用SolidWorks建立氣缸氣閥腔局部的裝配模型，裝配體中包括：缸體、閥孔蓋、壓閥罩、氣閥、墊片，具體模型如圖1所示，主要尺寸見表1。本文分析氣閥腔內氣體的流動，因此采用布爾運算中刪減功能求解出氣體的流體計算域，如圖2所示。
將流體計算域三維模型導入ANSYS Work原bench，并將計算區域類型改為流體區域。劃分網格時，將幾何體透明度設定為0.7，網格用途為CFD網格，求解器設置為CFX，網格尺寸中Relevance Center為Fine。設定計算域為進氣閥閥腔，氣道為入口，命名為inlet，氣閥腔出口（即氣閥入口）為outlet，計算域網格模型如圖3所示。
模型材料設置為氣體介質：Air at 25℃，重力加速度為Y軸方向，大小為-9.8 m/s2 。設置模型的邊界條件，具體設置方法見表2。求解器保持默認設置，z*大迭代步數為200，收斂殘差判據為1×10-4 。
3 壓閥罩安裝狀態對流場的影響
壓閥罩安裝時，通流圓孔的朝向影響氣流路徑的通暢。本文針對有4個圓孔的鍛件壓閥罩，設置3種壓閥罩安裝方向進行研究。分別為圓孔中心線與氣道中心線重合，中心線之間夾角為22.5度，中心線之間夾角為45度，具體的安裝狀態如圖4所示。
3.1 中心線重合
計算壓閥罩圓孔中心線與氣道中心線重合時氣閥腔內的流場狀況。氣閥腔內氣體流速的三維流線圖如圖5所示，壓閥罩水平剖分平面上的流速云圖如圖6所示。計算結果可以看出，氣流通過正對氣道的壓閥罩圓孔時流速z*高為21.2 m/s。
繪制氣流速度為15m/s的等速云圖，如圖7所示。圖中可以直觀看出氣流流速較高的位置，以及高速氣流的流向。
氣流出口處的流速云圖如圖8所示。流體計算域出口即為氣閥入口，從計算結果可以看出，氣流進入氣閥時流速并不均勻，圖中下半部局部流速較高，會造成氣閥的偏吹現象，導致阻力損失增加與閥片的提前破壞。
可以用出口流速不均勻度N大致評判氣閥發生偏吹現象的嚴重程度。
式中 Vmin——出口流速較高一半的平均流速
Vmin——出口流速較低一半的平均流速
Vo——出口平均流速
經過計算可以得出，壓閥罩圓孔中心線與氣道中心線重合時，出口流速不均勻度N=0.47。
3.2 中心線之間夾角為22.5°
計算壓閥罩圓孔中心線與氣道中心線之間夾角為22.5°時氣閥腔內的流場狀況。氣閥腔氣體流速的三維流線圖如圖9所示，壓閥罩水平剖分平面上的流速云圖如圖10所示。氣流通過偏向氣道的壓閥罩圓孔時的流速z*高為27m/s。
氣流出口處的流速云圖如圖11所示。從計算結果可以看出，氣流進入氣閥時流速并不均勻，圖中左半部分流速較高，會造成氣閥的偏吹現象，出口流速不均勻度N=0.7。
3.3 中心線之間夾角為45°
計算壓閥罩圓孔中心線與氣道中心線之間夾角為45°時氣閥腔內的流場狀況。氣閥腔氣體流速的三維流線圖如圖12所示，壓閥罩水平剖分平面上的流速云圖如圖13所示。氣流通過靠近氣道的2個壓閥罩圓孔時的流速z*高，且它們的流速相當為31m/s。
氣流出口處的流速云圖如圖14所示。從計算結果可以看出，氣流進入氣閥時流速并不均勻，圖中下半部分流速較高，會造成氣閥的偏吹現象，出口流速不均勻度N=0.48。
通過對比上面的計算結果可以看出，當壓閥罩圓孔中心線與氣道中心線重合時，流場內的z*大流速z*小，中心線之間夾角為22.5°時；其次，中心線之間夾角為45°時，z*大流速z*大。從氣閥偏吹的程度來說，中心線重合與中心線之間夾角為45°時，出口流速不均勻度相差很小，偏吹情況基本相近，中心線之間夾角為22.5°時，偏吹較為嚴重。綜合來說，當壓閥罩圓孔中心線與氣道中心線重合時，介質流經氣閥腔的流通效果z*好。
在氣缸設計以及裝配時，應盡量使壓閥罩圓孔與氣道孔正對，確保較好的流通效果。實際上，如果壓閥罩上沒有定位結構的話很難做到2個中心線重合。因此，應考慮研究合理的氣閥腔結構，使得壓閥罩在各種安裝狀態下都能保證較好的氣體流通效果。
4、氣閥腔尺寸對流場的影響
氣閥腔設計時，閥腔高度是根據氣道直徑，缸體壁厚，氣閥厚度等尺寸計算得出的，調整氣閥腔通流面積時通常不會改變氣閥腔高度，而是改變氣閥腔直徑。氣閥腔通流面積是指壓閥罩外圓與氣閥腔內徑之間的截面，如圖15中所示的陰影面積。
氣閥腔通流面積可以通過改變氣閥腔直徑來進行調整，將它與氣道通流面積的比值定義為通流面積比δ。
其中，公式中各尺寸含義如圖15所示，D0為氣道直徑。
按理論來講，氣流通過氣閥腔通流面積進入到遠離氣道孔的壓閥罩圓孔內，氣閥腔通流面積通過了約一半的氣體流量。為保證氣閥腔內流速均勻，阻力損失小，氣閥腔通流面積應該至少為氣道通流面積的一半。這一結論可以通過有限元分析的方法進一步研究。
通過上面分析可知，壓閥罩處于圓孔中心線與氣道中心線夾角為22.5°，這一狀態時，氣流z*大速度介于其它兩種狀態之間，氣閥偏吹現象比較嚴重。為了使壓閥罩無論處于怎樣的安裝狀態，都能保證氣閥腔內有較低的流速和較輕的氣閥偏吹現象。因此，選擇中心線夾角為22.5°這一不理想的流場狀態，對氣閥腔結構進行研究。氣閥腔結構中其它尺寸不變，閥腔直徑依次取220、230、240、250、260、270、280（mm），分別進行流場分析，并記錄流場狀態的關鍵參數，見表3。
根據表3中的流場參數，繪制z*大流速隨通流面積比δ變化的曲線，如圖16所示。繪制出口流速不均勻度隨通流面積比δ變化的曲線，如圖17所示。
通過z*大流速曲線可以看出，隨著氣閥腔直徑的增大，腔內的z*大流速見小。當通流面積比δ＜60%時，z*大流速隨δ變化比較明顯。當δ＜30%時，z*大流速已經達到30m/s以上，局部會產生較大的壓力損失。通流面積比δ＞60%時，z*大流速隨δ變化較緩慢，說明增加氣閥腔尺寸不會明顯減小氣閥腔內z*大流速。這時再想通過加大氣閥腔尺寸來減小z*大流速，會增加缸體尺寸，很不經濟。
通過出口流速不均勻度曲線可以看出，隨著通流面積比δ增大，不均勻度N值減小。說明在確定的壓閥罩安裝狀態下，增大氣閥腔直徑可以緩解氣閥偏吹現象。同樣，一味為了減輕氣閥偏吹而加大氣閥腔也是不合理的。
總結上面的理論分析和有限元計算結果，使氣閥腔通流面積約是氣道通流面積的60%，氣閥腔內的氣體流通效果較好。此時，氣閥腔尺寸適當，腔內的z*大流速較低，氣閥偏吹現象較輕，是z*為合理的設計方案。
5、結論
（1）應用CFX軟件可以對氣閥腔內的流場進行分析，并且得出腔內氣體的三維流線圖，等速云圖，流速云圖等；
（2）在氣缸設計以及裝配時，使壓閥罩圓孔與氣道孔正對，可以確保氣閥腔有較好的流通效果；
（3）使氣閥腔通流面積約是氣道通流面積的60%，氣閥腔內的氣體流通效果較好，是z*為合理的設計方案；
（4）對于鑄件氣缸，同樣可以應用本文研究所得出的結論。
參考文獻
[1] 活塞式壓縮機設計編寫組.活塞式壓縮機設計[M].北京：機械工業出版社，1974：138-170.
[2] 郁永章.容積式壓縮機技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2000：269-270.
[3] 劉平.基于ANSYS CFX的吸魚泵的內部流場分析[J].流體機械，2014，（11）：43-46.
[4] 凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS WorkBench 13.0從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2012.
[5] 謝漢龍，趙新宇，張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].北京：電子工業出版社，2012.
[6] 高井輝.基于CFX的離心式壓氣機內部流場數值研究[D].大連：大連理工大學，2011.
[7] 馬希金，王智，張明紫.基于CFX軟件油氣混輸泵壓縮級流場模擬及分析[J].石油礦場機械，2011，40（3）：32-36.
[8] 張書天.基于動網格的迷宮壓縮機流場分析[D].沈陽：沈陽理工大學，2014.
[9] JaakkoLarjola，JuhaHonkatukia，Petri Sallinen，JariBackman.
Fluid Dynamic Modeling of a Free Piston Engine
with Labyrinth Seals [J].Journal of Thermal Science，2010（02）：141-147.
[10] 謝軼男，李輝，趙賀嘉，江志農.往復壓縮機動態壓力仿真及瞬態流場分析[J].機械設計與制造，2015，（4 ）：52-58.
[11] 趙斌，孫鐵.活塞壓縮機氣缸內氣體的數值模擬[J].壓縮機技術，2007，（4 ）：10-13.
[12] 董誠誠.車載雙螺桿壓縮機流場分析及性能研究[D].長沙：中南大學，2014.
在往復壓縮機中，氣閥腔是受壓縮介質在氣缸中氣口與工作腔之間流通的必經通道。設計氣閥腔時要保證氣體流通順暢，流速控制在適當范圍內，減小壓力損失。氣閥腔結構，通流面積，以及壓閥罩的安裝狀態都會影響氣缸內介質的流通。
對于鑄件氣缸和鍛件氣缸，氣閥腔結構有較大的差別。鑄件氣缸按進排氣閥數量可分為一進一出、兩進兩出、三進三出等，進排氣數量相同的氣缸又可分為羊角缸、圓缸等多種形式，因此，形成了結構多樣的氣道和氣閥腔。鑄造氣缸可以設計并易于制成復雜形狀，氣閥腔和氣道通流面積較大，過度圓滑，有較好的氣流流通效果。鑄件氣缸的氣閥腔不作為本文研究的重點。
鍛件氣缸的氣閥腔和氣道是通過在鍛件毛坯上鉆、鏜等切削加工方法成形的，結構形式固定，且相對簡單。在氣缸設計過程中，為減小氣缸外形尺寸，節省材料，通常會控制氣閥腔尺寸。如果設計不當，就會造成氣體流通不暢，流速升高等問題。
對于壓閥罩結構而言，鑄件壓閥罩采用方窗作為氣流通道，一般通流面積較大，可以形成較好的氣流通道。鍛件壓閥罩采用圓孔作為氣流通道，考慮到本身尺寸和強度問題，圓孔不會設計很大，總面積與氣道通流面積相當即可。
通過上面的分析，對于高壓氣缸，即采用鍛件氣缸和鍛件壓閥罩的形式，氣閥腔內的氣流通道相對狹小，需要對其進一步優化設計，這種情況也是本文研究的重點。
本文采用流體動力學分析軟件CFX，對氣閥腔內的流場情況進行分析計算。通過改變壓閥罩安裝狀態和氣閥腔尺寸分別進行計算，總結出這兩種因素對氣流流動的影響情況，從而指導設計工作。
2、基于CFX的氣閥腔流場分析
計算流體動力學分析（CFD）是通過計算機進行數值計算的方法，模擬流體流動時的各種相關物理現象，包括流動、熱傳導、聲場等。
ANSYS Workbench中的CFD軟件包括Fluent、CFX和POLYFLOW。CFX從精確性、可靠性、并行能力和后處理來講，都要優于其它兩種。因此，本文選用CFX進行問題的研究。
s*先應用SolidWorks建立氣缸氣閥腔局部的裝配模型，裝配體中包括：缸體、閥孔蓋、壓閥罩、氣閥、墊片，具體模型如圖1所示，主要尺寸見表1。本文分析氣閥腔內氣體的流動，因此采用布爾運算中刪減功能求解出氣體的流體計算域，如圖2所示。
將流體計算域三維模型導入ANSYS Work原bench，并將計算區域類型改為流體區域。劃分網格時，將幾何體透明度設定為0.7，網格用途為CFD網格，求解器設置為CFX，網格尺寸中Relevance Center為Fine。設定計算域為進氣閥閥腔，氣道為入口，命名為inlet，氣閥腔出口（即氣閥入口）為outlet，計算域網格模型如圖3所示。
模型材料設置為氣體介質：Air at 25℃，重力加速度為Y軸方向，大小為-9.8 m/s2 。設置模型的邊界條件，具體設置方法見表2。求解器保持默認設置，z*大迭代步數為200，收斂殘差判據為1×10-4 。
3 壓閥罩安裝狀態對流場的影響
壓閥罩安裝時，通流圓孔的朝向影響氣流路徑的通暢。本文針對有4個圓孔的鍛件壓閥罩，設置3種壓閥罩安裝方向進行研究。分別為圓孔中心線與氣道中心線重合，中心線之間夾角為22.5度，中心線之間夾角為45度，具體的安裝狀態如圖4所示。
3.1 中心線重合
計算壓閥罩圓孔中心線與氣道中心線重合時氣閥腔內的流場狀況。氣閥腔內氣體流速的三維流線圖如圖5所示，壓閥罩水平剖分平面上的流速云圖如圖6所示。計算結果可以看出，氣流通過正對氣道的壓閥罩圓孔時流速z*高為21.2 m/s。
繪制氣流速度為15m/s的等速云圖，如圖7所示。圖中可以直觀看出氣流流速較高的位置，以及高速氣流的流向。
氣流出口處的流速云圖如圖8所示。流體計算域出口即為氣閥入口，從計算結果可以看出，氣流進入氣閥時流速并不均勻，圖中下半部局部流速較高，會造成氣閥的偏吹現象，導致阻力損失增加與閥片的提前破壞。
可以用出口流速不均勻度N大致評判氣閥發生偏吹現象的嚴重程度。
式中 Vmin——出口流速較高一半的平均流速
Vmin——出口流速較低一半的平均流速
Vo——出口平均流速
經過計算可以得出，壓閥罩圓孔中心線與氣道中心線重合時，出口流速不均勻度N=0.47。
3.2 中心線之間夾角為22.5°
計算壓閥罩圓孔中心線與氣道中心線之間夾角為22.5°時氣閥腔內的流場狀況。氣閥腔氣體流速的三維流線圖如圖9所示，壓閥罩水平剖分平面上的流速云圖如圖10所示。氣流通過偏向氣道的壓閥罩圓孔時的流速z*高為27m/s。
氣流出口處的流速云圖如圖11所示。從計算結果可以看出，氣流進入氣閥時流速并不均勻，圖中左半部分流速較高，會造成氣閥的偏吹現象，出口流速不均勻度N=0.7。
3.3 中心線之間夾角為45°
計算壓閥罩圓孔中心線與氣道中心線之間夾角為45°時氣閥腔內的流場狀況。氣閥腔氣體流速的三維流線圖如圖12所示，壓閥罩水平剖分平面上的流速云圖如圖13所示。氣流通過靠近氣道的2個壓閥罩圓孔時的流速z*高，且它們的流速相當為31m/s。
氣流出口處的流速云圖如圖14所示。從計算結果可以看出，氣流進入氣閥時流速并不均勻，圖中下半部分流速較高，會造成氣閥的偏吹現象，出口流速不均勻度N=0.48。
通過對比上面的計算結果可以看出，當壓閥罩圓孔中心線與氣道中心線重合時，流場內的z*大流速z*小，中心線之間夾角為22.5°時；其次，中心線之間夾角為45°時，z*大流速z*大。從氣閥偏吹的程度來說，中心線重合與中心線之間夾角為45°時，出口流速不均勻度相差很小，偏吹情況基本相近，中心線之間夾角為22.5°時，偏吹較為嚴重。綜合來說，當壓閥罩圓孔中心線與氣道中心線重合時，介質流經氣閥腔的流通效果z*好。
在氣缸設計以及裝配時，應盡量使壓閥罩圓孔與氣道孔正對，確保較好的流通效果。實際上，如果壓閥罩上沒有定位結構的話很難做到2個中心線重合。因此，應考慮研究合理的氣閥腔結構，使得壓閥罩在各種安裝狀態下都能保證較好的氣體流通效果。
4、氣閥腔尺寸對流場的影響
氣閥腔設計時，閥腔高度是根據氣道直徑，缸體壁厚，氣閥厚度等尺寸計算得出的，調整氣閥腔通流面積時通常不會改變氣閥腔高度，而是改變氣閥腔直徑。氣閥腔通流面積是指壓閥罩外圓與氣閥腔內徑之間的截面，如圖15中所示的陰影面積。
氣閥腔通流面積可以通過改變氣閥腔直徑來進行調整，將它與氣道通流面積的比值定義為通流面積比δ。
其中，公式中各尺寸含義如圖15所示，D0為氣道直徑。
按理論來講，氣流通過氣閥腔通流面積進入到遠離氣道孔的壓閥罩圓孔內，氣閥腔通流面積通過了約一半的氣體流量。為保證氣閥腔內流速均勻，阻力損失小，氣閥腔通流面積應該至少為氣道通流面積的一半。這一結論可以通過有限元分析的方法進一步研究。
通過上面分析可知，壓閥罩處于圓孔中心線與氣道中心線夾角為22.5°，這一狀態時，氣流z*大速度介于其它兩種狀態之間，氣閥偏吹現象比較嚴重。為了使壓閥罩無論處于怎樣的安裝狀態，都能保證氣閥腔內有較低的流速和較輕的氣閥偏吹現象。因此，選擇中心線夾角為22.5°這一不理想的流場狀態，對氣閥腔結構進行研究。氣閥腔結構中其它尺寸不變，閥腔直徑依次取220、230、240、250、260、270、280（mm），分別進行流場分析，并記錄流場狀態的關鍵參數，見表3。
根據表3中的流場參數，繪制z*大流速隨通流面積比δ變化的曲線，如圖16所示。繪制出口流速不均勻度隨通流面積比δ變化的曲線，如圖17所示。
通過z*大流速曲線可以看出，隨著氣閥腔直徑的增大，腔內的z*大流速見小。當通流面積比δ＜60%時，z*大流速隨δ變化比較明顯。當δ＜30%時，z*大流速已經達到30m/s以上，局部會產生較大的壓力損失。通流面積比δ＞60%時，z*大流速隨δ變化較緩慢，說明增加氣閥腔尺寸不會明顯減小氣閥腔內z*大流速。這時再想通過加大氣閥腔尺寸來減小z*大流速，會增加缸體尺寸，很不經濟。
通過出口流速不均勻度曲線可以看出，隨著通流面積比δ增大，不均勻度N值減小。說明在確定的壓閥罩安裝狀態下，增大氣閥腔直徑可以緩解氣閥偏吹現象。同樣，一味為了減輕氣閥偏吹而加大氣閥腔也是不合理的。
總結上面的理論分析和有限元計算結果，使氣閥腔通流面積約是氣道通流面積的60%，氣閥腔內的氣體流通效果較好。此時，氣閥腔尺寸適當，腔內的z*大流速較低，氣閥偏吹現象較輕，是z*為合理的設計方案。
5、結論
（1）應用CFX軟件可以對氣閥腔內的流場進行分析，并且得出腔內氣體的三維流線圖，等速云圖，流速云圖等；
（2）在氣缸設計以及裝配時，使壓閥罩圓孔與氣道孔正對，可以確保氣閥腔有較好的流通效果；
（3）使氣閥腔通流面積約是氣道通流面積的60%，氣閥腔內的氣體流通效果較好，是z*為合理的設計方案；
（4）對于鑄件氣缸，同樣可以應用本文研究所得出的結論。
參考文獻
[1] 活塞式壓縮機設計編寫組.活塞式壓縮機設計[M].北京：機械工業出版社，1974：138-170.
[2] 郁永章.容積式壓縮機技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2000：269-270.
[3] 劉平.基于ANSYS CFX的吸魚泵的內部流場分析[J].流體機械，2014，（11）：43-46.
[4] 凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS WorkBench 13.0從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2012.
[5] 謝漢龍，趙新宇，張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].北京：電子工業出版社，2012.
[6] 高井輝.基于CFX的離心式壓氣機內部流場數值研究[D].大連：大連理工大學，2011.
[7] 馬希金，王智，張明紫.基于CFX軟件油氣混輸泵壓縮級流場模擬及分析[J].石油礦場機械，2011，40（3）：32-36.
[8] 張書天.基于動網格的迷宮壓縮機流場分析[D].沈陽：沈陽理工大學，2014.
[9] JaakkoLarjola，JuhaHonkatukia，Petri Sallinen，JariBackman.
Fluid Dynamic Modeling of a Free Piston Engine
with Labyrinth Seals [J].Journal of Thermal Science，2010（02）：141-147.
[10] 謝軼男，李輝，趙賀嘉，江志農.往復壓縮機動態壓力仿真及瞬態流場分析[J].機械設計與制造，2015，（4 ）：52-58.
[11] 趙斌，孫鐵.活塞壓縮機氣缸內氣體的數值模擬[J].壓縮機技術，2007，（4 ）：10-13.
[12] 董誠誠.車載雙螺桿壓縮機流場分析及性能研究[D].長沙：中南大學，2014.
網友評論
條評論
最新評論