[统招硕士]硕士开题报告

1、学科代码080201编 号硕士学位论文开题报告学 号：122080201004研 究 生：李传恒导 师：刘涛研究方向：复杂型面设计理论论文题目：涡旋压缩机内部泄露模拟与分析学 科：机械制造学院(部)：机电工程学院入学时间：2012 年 08月开题时间：2014 年 01 月 12 日2014年01月12日填 报 说 明一、开题报告中的一至七项必须采用计算机输入和打印，开题报告格式可在研究生部网址二、开题报告为A4大小，于左侧装订成册。各栏空格不够时，请自行加页。三、开题答辩成绩（即每个学生开题报告评审表的平均成绩）由学院（部）研究生专干填写，学院负责人签署是否同意开题的意见。五、开题报告通过后

2、，分别由研究生、导师、学院（部）和研究生院各存档一份。学位论文题目涡旋压缩机内部泄露模拟与分析课 题 来 源国家自然科学基金项目一、课题意义及国内外研究现状综述（一）课题意义：涡旋压缩机被誉为第三代压缩机，以其结构紧凑、高效节能、微震低噪和高可靠性等优点已被广泛的应用于空调、制冷、各种气体压缩、增压器、真空泵和液压泵等产品。随着工业的发展，和人们节约能源意识的提高，低耗能、高效率的压缩机越来越受到人们的青睐。但其泄漏问题仍然是阻碍涡旋压缩机发展的主要障碍1。因此，提高涡旋压缩机的容积效率，特别是减少工作过称的泄漏量，是值得研究的一个方面。涡旋压缩机的压缩腔与外界之间以及压缩腔之间存在着气体质量

3、的交换，这种质量交换称之为泄露。涡旋压缩机在吸气过程中存在着泄露，这种与外界进行的气体质量交换称为外泄露。外界是指压力大于吸气压力的高压气体，当高压气体进入吸气腔内膨胀并占据吸气空间，使得涡旋压缩机的实际吸气量减少，所以外泄露会增加功耗，会影响到涡旋压缩机的吸气量，后果是降低了制冷压缩机的制冷量；同样，涡旋压缩机各压缩腔之间、压缩腔与背压腔之间也会发生泄漏，这种气体泄露称为内泄漏，高压压缩腔中的气体泄漏到低压压缩腔内，压力要降低，再由低压状态重新被压缩到高压状态，均要消耗功率。因此，内泄漏的直接后果是要大大增加涡旋压缩机的功耗。泄漏问题与密封技术密切相关,密封技术虽然不是领先性技术,但往往是决

4、定性关键技术, 密封还直接关系到能源和物料的节约问题,在整个能源消耗中,各种流体动力机械占据的比例较大,这些机械的内漏或外漏,往往造成容积效率降低,其功率损失达总功率的10%以上,小型机器甚至达40%50%。因此研究泄漏问题对于提高压缩机轴端密封运行的可靠性和稳定性,降低物料和能源的消耗对于提高压缩机效率，减少功耗，以及对于提高机械加工质量具有指导作用，具体现实意义如下：1有助于准确地分析涡旋压缩机的气体损失和动力损失；2提高了涡旋压缩机的性能，是降低企业某生产成本的渠道之一；3可以为涡旋齿型线参数的设计提供可靠依据；4对压缩机的密封有指导意义。（二）国内外研究现状综述：涡旋压缩机最早于190

5、5 年提出, 但由于加工手段和工艺设备的局限性没有得到深入的研究和发展。直到20 世纪70 年代, 能源危机的加剧和高精度数控铣床的出现, 为涡旋机械的发展带来了机遇。美国 ADL 公司 1973 年首次提出涡旋氮气压缩机的研究报告, 并证明了涡旋压缩机具有其它压缩机无法比拟的优点。1982 年, 日本三电公司开始批量生产汽车空调涡旋压缩机, 其后日立公司、三菱电气、大金、松下、美国的谷轮公司和特灵公司也开始批量生产涡旋压缩机。进入21世纪, 谷轮公司又推出了一种新的数码涡旋压缩机, 使空调器不必使用昂贵的变频控制器就能实现制冷量在 10% 100%范围内的无级调节。19931998 年整个压

6、缩机市场只增长了 5. 2%, 涡旋压缩机却增加了26%, 1998 年底柔性涡旋压缩机的产量已经突破了1200 万台。我国 1983 年以后才开始涡旋压缩机的研制工作, 1987 年试制出第 1 台涡旋空气压缩机。目前涡旋压缩机的研究制造主要集中在美国、日本、中国和韩国。在研究领域，先后有兰州理工大学、西安交通大学、机械部通用机械研究所以及一些其它的院、所和工厂对涡旋技术进行规模研究，在理论研究和工程实践上取得了一定的成果。在生产方面，广州万宝压缩机股份公司引进了日立公司年产12万台单元空调用全封闭涡旋压缩机的生产线3，考普兰公司在苏州投资建设了年产100万台5HP涡旋压缩机的生产线。近年来

7、研究涡旋压缩机的论文不断增多, 研究内容主要集中在涡旋压缩机的几何特性、工作原理、泄漏及密封、加工工艺及材料、型线修正及通用型线、整体优化等方面。1.涡旋压缩机型线的研究现状 涡旋压缩机能够正常工作的条件就是动涡盘与静涡盘在压缩腔内能够啮合。而基于涡旋体直壁等高的形状特性, 在几何计算时完全可以仅讨论其投影的涡线, 即把空间啮合问题转化为平面啮合问题。常见的涡旋型线有基圆渐开线、正多边形渐开线、线段渐开线、半圆渐开线、阿基米德螺旋线、代数螺旋线、变径基圆渐开线、包络型线、以及通用型线等。由于圆的渐开线容易加工, 并且该型线的压缩机有良好的工作性能, 所以目前应用的型线以圆渐开线为主。为同时发挥

8、不同类型型线的优势，近年来出现了组合型线，即在同一涡圈上采用两段或多段不同类型的型线连接为光滑型线。例如，王国梁等人提出由大、小圆弧和直线交替，构成了双圆弧加直线的组合型线，并建立了型线基本理论，与渐开线相比该型线具有较大的有效容积比，较小的内容积比13；刘振全、王君等人对圆渐开线和圆弧组合型线生成方法和特点进行了详细的研究，并建立了其组合型线的几何理论，建立了相应的型线方程2；文献7提出了通用型线的概念，即采用法向分量和切向分量表达型线的方法，表达常用的典型型线，并通过法向等距平移的方法扩展出新型型线，并建立便于优化的通用数学模型。2. 计算流体动力学及网格技术涡旋压缩机中的应用利用计算流体

9、动力学软件Fluent，可以分析涡旋压缩机内部气体的泄露状态，文献14讨论了Fluent在某气田群的海上平台可燃气泄漏的应用，并进行了模拟计算，并进行分析、判断和预测气体泄漏后所影响到的扩散区域，可见计算流体动力学应用广泛，特别适合气体的有关模拟和分析，相比之下，对涡旋压缩机内部泄露气体的研究，可以采用同样地方法进行研究分析。研究涡旋压缩机内部泄露，最重要的是要研究内部流场。采用局部弹性变形与网格重划的 CFD 动网格技术，可以对涡旋压缩机动态流场进行数值模拟，并计算得到了涡旋压缩机随时间周期变化的质量流量、流场分布及压力、温度分布，观测到涡旋压缩机内旋涡生成、运动、增大或缩小等现象16。文献

10、25则由连续方程、动量方程、能量方程、状态方程得到了径向泄漏模型和切向泄露模型。黄 思28等人将CFD动网格技术应用到滚动转子式压缩机动态流场的数值模拟,得到了压缩机流量值随时间变化的谐波规律，捕捉到滚动转子式压缩机工作过程中的旋涡,以及旋涡的生成、运动、增大或缩小的过程, 这些结果可为滚动转子式压缩机的优化。Fluent动网格技术还被用到模拟分析微型齿轮泵内流场，为齿轮泵流场问题的仿真提供便利,为微型齿轮泵的设计和结构优化提供具有参考价值的数据24。综合来讲，计算流体动力学的动网格技术，可以方便解决流体速度、压力变化以及流态模拟分析。3.压缩机气体泄露研究现状文献4讨论了用于预测泄露比率以及

11、顶端间隙和泄漏比率之间的关系的四个理论模型,即喷嘴流模型，Fanno流模型，基于不可压缩和粘性流理论的Ishii模型,一维稳态层流模型（Fagerli的模型）,文献5研究了等熵模型和Fanno模型对涡旋压缩机热力学性能的影响。与Fanno模型进行比较，等熵流模型显示一个更大的质量流率，通过使用CFD软件，Fanno模型则更准确，这两个泄漏模型之间的差异随着间隙的增大而变大。在涡旋压缩机的功率损失中，由于泄露引起的损失占很大的比重，因此关于泄露的研究也在不断地深入，由于研究涡旋压缩机实际工作状况的复杂性，文献6研究了切向泄露，对径向间隙引起的切向泄露进行了两项研究并获得了基本数据。在该研究中，首

12、先通过实验获取压缩机在实际工作状况中的特点，对切向泄露量进行了测量，从实验值中获得流量系数。如果不考虑泄露路径的形状、径向间隙、压力条件，那么流量系数的值是恒定的。通过运用所得系数，模拟分析了切向泄露对压缩机在不同工作状况下的影响，以及在实际工作条件下的泄漏量和切向泄漏对涡旋压缩机性能的影响。该研究为压缩机切向泄露提供了实验数据，以及对压缩机泄露的深入研究提供了参考。在文献7中，提到切向泄露和径向泄露，并对它们的各自的特点进行研究，为了研究实际工作状况下复杂的顶端泄露状况，实验中采用间接的流量测量方法，并应用顶端泄露模型来分析了轴向和切向泄露，通过理论结果与实验结果的对比分析，无油条件下也得到

13、了验证。由此可得到在压缩比，旋转角，排气压力，顶端间隙和泄漏点状态下的泄漏量。陈志明 熊则男等人，以过程方程、动量方程、状态方程和连续性方程为基础结合小间隙内气体流动特点,将压缩机内气体泄漏视为有摩擦的流动过程,提出了计算气体泄漏量的模型8，这为气体泄露研究提供了计算模型，为定量化研究提供了新方法。文献9 建立了无油润滑双涡圈涡旋压缩机的泄露模型, 根据型线的几何理论计算了一个周期内泄漏线的长度, 分析了在工作过程中泄漏线的变化, 泄漏线长度随曲柄转角的变化, 以及泄露量随排气压力, 曲柄转角的变化情况。通过模拟计算与实验分析了无油润滑的双涡旋空气压缩机的泄漏间隙, 由于缺少了润滑油的密封作用

14、, 泄漏现象较有油润滑严重, 容积效率相对较低, 散热效果较差。在文献10中，分析讨论了不同的气体温度、泄漏压差、最大泄漏量下空气、CO2、R22、R11, nC4H10与最小密封间隙的关系，为各种不同用途涡旋压缩机的设计提供合理的密封间隙, 为使用现有涡旋压缩机样机的设计参数进行模化设计提供了理论依据。辛电波，冯健美等人，搭建了微小间隙内油气两相流动特性试验研究装置, 通过改变泄漏间隙和泄漏压力差 /压力比及油气体积比, 借助高速摄影获得了微小间隙内油气两相流动的流型, 得到了气体泄漏量随泄漏间隙大小和泄漏压力差 /压力比变化的关系，解释了流型特征对泄漏的影响11。气体泄漏扩散过程的仿真，比

15、较有名的模型有稠密气体扩散模型（Dense Gas Dispersion Model, DEGADIS）,计算流体动力学（Computional Fluid Dynamics, CFD）,概率密度模型（ProbabilityDensity Function, PDF)和三维有限元模型（3-D Finite Element Model，FEM3）等。在模型中有k 、k 、k 等几种情形，其中k 湍流模型应用最为广泛12-14。三维有限元模型是基于气体扩散的具体物理过程，用湍流统计理论来仿真气体泄漏扩散问题，模型具有较好的扩展性，且仿真计算结果精度高，适用于绝大部分的气体泄漏扩散仿真问题，但是在实

16、际操作过程中还需要进行必要的简化。综上所述，在当前涡旋压缩机设计与开发研究中，重点主要是拓宽涡旋压缩机的使用范围，扩大涡旋压缩机的容量和压缩比，以及在保证压缩机正常工作的前提下，提高压缩机容积效率，减少泄露量，节约能源。能源是经济和社会发展的重要物质基础，也是实现四个现代化以提高我国人民生活水平的先决条件。我国面临日益明显的对于能源系统的可持续发展和经济的可持续发展的挑战，为了应对这样的挑战，我国的策略是加紧进行综合的应对策略研究，大力促进能源节约，发展低碳和无碳的替代能源。因此发展能源利用率高、低泄漏量涡旋压缩机显得尤为重要，并且对提高涡旋盘的加工精度，改善涡旋压缩机的工作性能和效率，提供理

17、论依据和指导。二、课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题（一）课题研究的目标：本课题对涡旋压缩机内部泄露进行研究分析，通过对泄漏通道的工质流态分析，初步确定泄露模型，然后建立数学模型。利用Fluent软件，对动、静涡盘间隙流体进行模拟。目的是根据得到流体的压力、速度分布1619图像，确定间隙流体流动状态,分析油膜动压效应，为研究涡旋压缩机的润滑与摩擦，以及型线的设计和实际加工提供理论指导。（二）课题研究的内容：一涡旋压缩机在工作过程中,动静涡盘啮合处存在微小间隙,压缩腔存在压力差,加之高转速,高压力等因素的影响,气体流过间隙的流动状态比较复杂,主要研究两种流动状态，即层流和湍流。对这两种流

18、态，分别进行理论分析，建立相应的数学模型，为以后的模拟仿真提供必要的参数。二合理选择参考系。对于有旋转元件下的流场，利用Fluent软件时，通常采用旋转参考坐标系进行计算,设置旋转参考系的转速和转轴为实际旋转元件的转速和转轴,并认为流体的流动和旋转元件的转动相对于旋转参考系是稳定的,进而对问题进行简化。三结合动压理论和密封理论，分析由模拟仿真所得到的压力、速度图形结果，并与相关实验进行对比，确定结果的正确性。（三）拟解决的关键问题：三维有限元模型是基于具体泄漏过程而建立的，理论上说三维有限元模型能够解决各种条件下的气体泄漏过程及仿真问题，精度也较高，很适合求解具有复杂边界条件的封闭空间中的气体

19、泄露问题。但该模型公式、参数都较多，模拟仿真过程复杂，实现比较困难。在仿真计算时，还需迭代处理大规模的数据，计算量非常大。所以该课题的关键性问题是，要结合涡旋压缩机实际工况要求，化简三维有限元模型，在模型的计算复杂度与结果的精度之间求得平衡，适当降低计算的复杂度。三、拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析（一）拟采取的研究方法：1理论分析对微小间隙流场进行理论分析，建立物理模型,得到各自的控制方程。为以后数值模拟提供相应模型和参数。2.利用相关软件进行模拟仿真对已经参数化的气膜流场进行数值模拟，利用前处理Gambit软件建立三维模型，对流体膜厚度方向单独划分网格，然后应用Fluen

20、t软件对气体流动状态进行模拟，得到相关模拟图形。边界条件方面，考虑粘性力和惯性力的作用,采用标准壁面条件和速度无滑移条件，动涡旋盘表面处的壁面边界条件采用旋转坐标系。3.对结果分析综合1）根据所得模拟图形得到流动因子 1827有关参数, 进而确定涡旋压缩机内部泄露流态。2）将模拟时得到的泄漏量与其相同工况下试验所测得的泄漏量进行对比，分析结果的可靠性。（二）技术路线：对于涡旋压缩机压缩腔的仿真步骤主要包括以下几个内容：建立几何模型、网格剖分、设定相关参数、有限元计算求解以及结果的可视化处理。几何模型简化网格划分并设定仿真参数值获取几何数据，Gambit建立三维几何模型对计算结果视化处理利用Fl

21、uent仿真到步长数?YN图1.2三维有限元模型仿真流程开 始结 束（三）实验方案：以本课题所选渐开线-高次曲线变截面涡旋压缩机作为研究对象：（1）确定结构参数，设定的工作条件；（2）通过流体的相关知识建立流体控制方程；（3）应用相关软件建立微小间隙泄露模型；（4）进行仿真分析，得到泄露区域的压力及速度发布图像；（5）进行验证性分析：通过与已有的样机性能测试实验数据以及相关理论、经验，验证理论模型的正确性，并对所得数据进行分析综合。（四）可行性分析：1.本课题研究过程中，将高次曲线压缩机3738作为研究对象，通过型线方程可以更准确的分析动、静盘啮合处微小间隙的气体流动43-45。2.在流体力学

22、中由于气体是易压缩流体，而研究状况又属小间隙内泄露气体的流动，所以在计算气体泄漏量时同时考虑到粘性力和惯性力，采用粘性力与惯性力耦合分析，这样的计算模型更符合实际工作状况，可以提高计算结果准确度。3.F l u e n t 软件是目前先进的商业 C F D 软件之一，广泛运用于流体计算中， Fluent软件是用来模拟和研究复杂几何区域内流体流动，它有结构化网格和非结构化网格，网格格式多种多样，仿真结果可信度高。四、课题的创新性1.研究对象为变截面涡旋压缩机涡旋腔为研究对象,型线选用渐开线- 高次曲线。2.同时考虑粘性力和惯性力的计算模型,将惯性力与粘性力进行耦合分析，运用CFD技术对变截面微小

23、间隙流态45进行仿真，以提高计算结果的准确度。五、计划进度、预期进展和预期成果5.1论文计划进度表序号项目内容和要求起止时间1查阅文献搜集资料查阅、搜集涡旋压缩机研发设计的国内外最新资料，根据课题的国内外现状的分析，对研究方向进行初步理论论证。2013.092013.112开题报告撰写开题报告，包括课题的意义及国内外现状的综述、研究目标、研究内容、要解决的关键问题、研究方法、技术路线及创新性。2013122014013建立涡旋压缩机流体控制方程熟悉流体力学Fluent等相关软件，并建立标准k-湍流模型2014022014074基于粘性力和惯性力耦合的涡旋盘有限元分析求解出符合涡旋压缩机微小间隙

24、泄露流体的压力、速速分布规律，通过与已有的样机性能测试实验数据验证理论模型的正确性并与发表论文1-2篇。2014082015. 025撰写毕业论文对所搜集的资料，涡旋压缩机的高次型线数学模型，及软件模拟仿真所得泄露模型结果，进行综合分析、整理、总结，按要求撰写论文。2015032015046学位论文答辩向专家介绍课题的整体设计思路，对专家的提问进行回答，接受他们对本课题的鉴定。201504201505备注本计划在实际实施过程中根据具体工作情况可能会有所调整。5.2预期成果：1.本课题的研究成果主要是以论文的形式出现；2.在核心期刊上发表1-2篇学术论文；3.完成硕士学位（毕业）论文，通过硕士学

25、位论文答辩。六、与本课题有关的工作积累、已有的研究工作成绩通过近期查阅资料，已对本课题的研究内容在整体上有了明晰的认识。在阅读大量有关涡旋压缩机的设计资料后，对涡旋压缩机的泄露问题有了更进一步的认识。并通过努力学习已经掌握课题研究中所使用的软件如Pro/E、ANSYS、Fluent、MATLAB等，为课题的进一步研究打下了初步的基础。七、研究经费预算计划和经费落实情况课题研究工作得到国家自然科学基金项目经费的支持。八、参考文献1 杨骅,屈宗长.涡旋压缩机泄漏研究综述J.流体机械,2003,(第11期).2 王君, 刘振全, 李超. 涡旋压缩机渐开线和圆弧组合型线的设计计算J. 流体机械, 20

26、04, V01. 32(10): 10- 13. 3 屈宗长, 樊灵, 王迪生. 通用型线涡旋压缩机的几何理论J. 西安: 西安交通大学学报. 1995, (11): 39- 42. 4 Lee B.C,Yanagisawa T,Fukuta M,Choi S.A Study On The Leakage Characteristics Of Tip Seal Mechanism In The Scroll Compressor (C).InternationalCompressorEngineeringConference. Purdue,2002. 5 Kang D.J,Kim J.W,S

27、ohn C.B.Effects Of Leakage Flow Model On The Thermodynamic Performance Of A Scroll Compresor(C).International Compressor Engineering Conference. Purdue,2002.6 Cho N.K,Youn Y,Lee B.C,Min M.K.The Characteristics of Tangential Leakage in Scroll Compressors for Air-Conditioners(C).International Compress

28、or Engineering Conference.Purdue,2002. 7 Youn Y,Cho N.K,Lee B.C,Min M.K.The Characteristics of Tip Leakage in Scroll Compressors for Air Conditioners(C).InternationalCompressorEngineeringConference. Purdue,2000. 8 陈志明,熊则男,乔宗亮.压缩机内气体泄漏量计算模型J.流体机械,1994,(4).9 梁高林,刘振全.无油润滑双涡圈涡旋空气压缩机的泄漏研究J.流体机械,2007,(3).

29、10 王焕然,周雷,金光熹,张小军.涡旋压缩机密封间隙的定量化研究J.压缩机技术,1997,(5).11 辛电波,冯健美,贾晓晗,彭学院.微小间隙内油气两相泄漏的试验研究J.润滑与密封,2008,(11).12 蒋晶晶.复杂封闭空间中气体泄漏扩散的三维仿真.硕士学位论文，华中科技大学，2011.13 王国梁，李连生，张薇, 等. 一种新型涡旋型线几何理论研究J. 西安交通大学学报, 2003, 37(5): 499- 503. 14 刘欣,卫宏远.可燃气体泄漏扩散的 CFD模拟研究D.天津大学化工学院.2011.05.15 殷俊, 杨美传, 冯鉴. 基于热应力场耦合的涡旋压缩机动涡旋盘有限元分

30、析J. 压缩机技术, 2011, (6): 6- 9. 16 肖根福,刘国平,王俊亭,宋红滚.基于动网格的涡旋压缩机内部流场数值模拟J.机床与液压,2013,(1).17 韩坤,唐景春,高才.涡旋压缩机动涡旋盘热弹性耦合分析J.合肥工业大学学报(自然科学版),2013,(7).18 于雪兴，富影杰.基于CFD的螺旋槽干气密封微间隙流密封蜜封性能研究D.兰州理工大学， 2010.19 李超,罗辉,张芸豫.不同涡旋型线压缩腔流场的模拟分析J.压缩机技术,2009,(4).20 王洁莹, 梅宁，郑婷，丁肖媛.应用CFD于涡旋压缩机的工作模拟A.中国工程热物理学会热机气动热力学C. 2009.21 王

31、志健,杜佳佳.动网格在固体火箭发动机非稳态工作过程中的应用J. 固体火箭技术,2008,(4).22 岳向吉,巴德纯,苏征宇,张宇.基于动网格的滚动活塞压缩机泵腔流动瞬态模拟J.东北大学学报(自然科学版),2011,( 4 ).23 江帆,陈维平,王一军,区嘉洁.基于动网格的离心泵内部流场数值模拟J.流体机械,2007,(7).24 张锴,翟俊霞,陈嘉南,赵云文.微型齿轮泵内流场的动网格模拟和分析J.兰州理工大学学报,2011,(1).25 张立群,罗友平,刘永波.涡旋压缩机工作特性的研究J.流体机械,2003,(3).26 冯健美,屈宗长,李心伟.涡旋压缩机排气过程的三维数值模拟计算J.西安

32、交通大学学报,2004,(11).27 罗辉, 李超.涡旋压缩机压缩腔内部流场的模拟分析.兰州:兰州理工大学石油化工学院.2009.28 黄思,杨国蟒,苏丽娟.应用动网格技术模拟分析滚动转子压缩机的瞬态流动J.流体机械,2010,(1).29 A. R. Torabi,M. Bayati.Failure Analysis and Repair of a Catastrophically Damaged Gas Turbine Compressor Disk Using SEM Technique and CFD AnalysisJ.Journal of Failure Analysis and

33、 Prevention,2012,12(4) :391-401.30 Suthep Kaewnai,Manuspong Chamaoot,SomchaiWongwises.Erratum to Predicting performance of radial flow type impeller of centrifugal pump using CFD. JMST, 2009,23(8):16201627.31 Marco Chiodi.An Innovative 3D-CFD-Approach towards Virtual Development of Internal Combustion EnginesM. Germany :Vieweg+Teubner Verlag ,2011.32 张立毅,胡浩,李勇健,吴棹舟.美国艾默生公司压缩机应用技术讲座：第二十一讲 谷轮“低温强热涡旋”在热泵式空调器中的应用（1）J.制冷技术,2007,(1). 33 冯健美,屈宗长.涡旋压缩机的发展优势和关键技术J.中国机械工程,2002,(19-24).34