雙螺桿膨脹機的流場數值模擬研究

吳高捷　張帆　朱君

【摘 要】基于UG三維造型軟件和ANSYS Workbench有限元分析軟件完成了雙螺桿膨脹機內部流場的幾何建模和網格劃分，采用FLUENT分析方法對雙螺桿膨脹機內部流場進行了數值模擬，得到了雙螺桿膨脹機的速度分布，并對比了不同壓力與溫度作用下流場的變化規律。結果表明：雙螺桿膨脹機內部流場的流體流動在離心力與慣性力的綜合作用下十分復雜；采用合適的分析模型可以數值模擬實際流體機械的運動狀態，為流固耦合問題提供了一種新方法，可以大大縮短新產品的研發周期。

【關鍵詞】雙螺桿膨脹機；數值模擬；流場

Numerical Simulation of the Flow Field in Twin Screw Expander

WU Gao-jie ZHANG Fan ZHU Jun

（School of mechanical engineering，Yangzhou University，Yangzhou Jiangsu 225127，China）

【Abstract】Completing the geometry model and grid division of twin screw expanders internal flow based on the three-dimensional modeling software UG and finite element analysis software ANSYS Workbench，the numerical simulation analysis was carried out by using FLUENT analysis method，obtaning the velocity distribution of twin screw expander，and comparing the changes of flow field under different pressure and temperature. The results show that the fluid flow of twin screw expanders internal flow field under the combined action of centrifugal force and inertial force is very complex；the suitable analytical model can be applied to numerically simulate the motion state of the actual fluid machinery，providing a new method for the fluid solid coupling problem，which can greatly shorten the new product development cycle.

【Key words】Twin screw expander；Numerical simulation；Flow field

0 引言

我國的一次能源資源現狀不容樂觀，資源利用率不高以及能耗較高等問題嚴重束縛著中國的經濟發展。雖然政府早年就已制定了《節能法》，但能源梯級利用并沒有完全實現，其中高品位能源的浪費是有限的，因為通過現有的熱功轉化技術（燃油機、汽輪機）都可以較好地回收和利用；但大量浪費的低溫、低壓、污染的、不穩定的資源以汽、汽水混合物、熱水等形態存在，因而目前回收這些低品位能源還是以汽輪機為主。根據汽輪機的技術特點，它只適用于帶基本負荷的發電設備，無法應用于現有工業大環境。針對汽輪機在回收利用低品位能源方面的不足，相關領域的專家研究出了雙螺桿膨脹機。與汽輪機相比，雙螺桿膨脹機具有熱源適應范圍寬廣，變工況能力優越，維護周期長和操作便捷等特點，在傳統余熱資源回收與新能源利用方面更具優勢，目前在許多行業得到了廣泛應用[1-2]。

由于螺桿轉子曲面的復雜性和流體流動狀況的差異性，采用理論推導法或實驗測試法對雙螺桿膨脹機內部流場進行分析存在設計周期長、實驗成本高的缺點，在實際操作中十分困難。因此，本文在前人研究的基礎上，采用計算流體動力學模擬雙螺桿膨脹機工作時流體的流動狀態，并從流體溫度和壓力兩方面說明其對速度場的影響，為雙螺桿膨脹機的設計和優化提供參考。

1 雙螺桿膨脹機流體域模型的建立

雙螺桿膨脹機是一種容積式回轉動力機械，工作介質進入機內陰陽螺桿間齒槽，推動螺桿轉動。隨著螺桿轉動，齒槽間的容積逐漸增大，介質降壓降溫膨脹做功，最后從齒槽末端排出，功率從主軸陽螺桿輸出。雙螺桿膨脹機的核心部件是一對嚙合的螺桿轉子，螺桿轉子間的工作段是雙螺桿膨脹機流場的主體部分，為了減少模型的復雜外形，提高前處理仿真效率，本文僅針對轉子表面與缸體內壁的流場分布規律進行了分析[3]。

考慮到螺桿轉子齒面的復雜性、CAD系統建模的便捷直觀以及ANSYS支持多種CAD接口文件等因素，為了節約資源，采用三維造型軟件UG對流場域進行實體建模，再導入到有限元軟件中進行相應的處理，采用單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線，螺桿幾何參數如表1所示。

轉子在工作狀態下高速運轉，為了減小網格滑移的扭曲率及計算的收斂性，本文采用四面體非結構化網格劃分方法[4]，劃分好的網格模型如圖1所示，節點總數為264695，單元總數為1339179。

2 數值模擬模型

雙螺桿膨脹機的內部流體具有非定常、不規則的旋渦流動結構，且陰陽螺桿轉子齒面曲率變化較大，采用標準k-？著模型將會出現失真。通過對湍流粘度進行修正，考慮流動中的旋轉及旋流流動的影響，使用RNGk-？著模型可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動，更接近內部流體流動的實際情況。

3 數值模擬結果分析

雙螺桿膨脹機主要應用在100℃以下的低品位能源回收，因此數值模擬分析以雙螺桿膨脹機流場的二維截面運動為研究對象[6]，分析流體在不同壓力和不同溫度工況下對雙螺桿膨脹機流道速度分布的影響。

為了詳細說明壓力、溫度對流場的影響，首先對流體壓力為0.6MPa，溫度為95℃工況下的情形進行分析，以此作為參照工況。由雙螺桿膨脹機的工作原理可知，膨脹機在工作時依次進行吸氣、膨脹、排氣三個過程，圖2為上述工況的流場軸向截面壓力圖，與進氣口連通的空間部分為紅色，其壓力接近0.6MPa，即進氣壓力；與排氣口連通的空間部分為綠色，其壓力接近0.2MPa，即排氣壓力；轉子接觸線將缸體內部空間分為高壓與低壓兩部分，高壓部分處于吸氣或膨脹過程，其壓力為進氣壓力向排氣壓力過渡，逐漸減小，低壓部分處于排氣過程，作用的是排氣壓力。區域1、3、5、7為螺桿轉子彼此嚙合密封的部位，隨著轉子的高速旋轉，轉子的嚙合部位出現高低壓交替現象，這是由于氣體在兩轉子嚙合處進行膨脹，使得該部分處的瞬時壓強急劇減??；區域2、4、6為高壓區氣體向低壓區泄露的部位，這是因為轉子間的接觸線延伸不到機體上兩氣缸孔的交線，在空間上即形成了泄露三角形。圖2能反應雙螺桿膨脹機的壓力變化規律，驗證了本文數值模擬所選數學模型、計算方法以及邊界條件的設置是合理的，在一定程度上說明了數值模擬結果的可靠性。

為了詳細說明雙螺桿膨脹機工作過程中的速度變化規律，圖3給出了轉子在不同角度下的流場某一截面速度矢量圖。在進口口附近，氣流向相反方向流動，轉子在氣體慣性沖擊力下開始緩慢旋轉，距離轉子表面較近的流體的速度最大，在靠近缸體交線處的速度最?。▓Da）。隨著氣體在基元容積內膨脹，推動轉子高速旋轉時，靠近兩轉子的嚙合處，逐漸產生漩渦現象，這是由于兩轉子彼此反向旋轉，氣流在嚙合區速度矢量發生巨變，使氣流由原來的圓周運動變成不規則的復雜運動，故出現了漩渦。此外，由于齒前流體的速度和齒后的流體速度不均勻，靠近邊界的流體易發生回流，因而齒前后的兩股流體相互摻雜，基元容積內流體流速比較復雜，也會產生渦流現象，由仿真過程（b）～（j）可以清晰的看出漩渦形成的整個過程。

（a）轉子旋轉30° （b）轉子旋轉60°

（c）轉子旋轉90° （d）轉子旋轉120°

（e）轉子旋轉150° （f）轉子旋轉180°

（g）轉子旋轉210° （h）轉子旋轉240°

（i）轉子旋轉270° （j）轉子旋轉300°

圖4、圖5分別給出了壓力變化以及溫度變化下同一位置處的仿真分析結果，從圖中可以看出：其壓力變化與流場速度分布情況與參照工況基本一致。對于中低溫范圍內的熱源，壓力與溫度的變化并不影響雙螺桿膨脹機的流場速度分布規律，只是數值略有區別，間接地說明了在熱源負荷變化波動的情況下，雙螺桿膨脹機不僅能穩定可靠，而且可以高效運行。

4 結論

（1）基于ANSYS Workbench有限元分析軟件，采用流固耦合分析模型模擬了雙螺桿膨脹機的流場速度分布情況，為兩相介質之間的相互作用等問題提供了一種解決方法。

（2）流體在雙螺桿膨脹機內部流動總體呈現平穩趨勢，在轉子嚙合處由于流體速度矢量發生突變會產生渦旋現象，流體在陰轉子齒間更容易產生湍流，在轉子的設計過程中應注意轉子結構的設計。

（3）流體壓力與溫度的變化對流場的的速度分布不會產生較大影響，因而雙螺桿膨脹機更適用于變工況頻繁的場合，以保證系統的可靠運行。

【參考文獻】

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[6]初同龍，王春生，王曉虎等.螺桿泵腔室內流場的數值模擬研究[J].流體機械，2014，42（5）：21-24.