（工程热物理专业论文）co2膨胀过程的模拟计算与可视化实验研究.pdf

中文摘要 臭氧层破坏与温室效应的不断加剧，使得应用自然工质c 0 2 的应用研究成 为世界的研究热点。针对c 0 2 带膨胀机热泵循环系统中的关键问题，本文应用 f l u e n t 和e e s 两种模拟计算软件和实验的方法研究了c 0 2 快速降压过程和 c 0 2 滚动活塞式膨胀机的工作过程。 为了能够对c 0 2 快速压降过程进行直接观测，本文进行了可视化实验。由 实验结果可以看出，随着放气过程的进行，试块内部压力与温度均呈凹曲线减小。 初始压力越高，放气结束时间越长，初始温度越高，放气初始试块内部温度下降 越明显。纯质c 0 2 降压过程的可视化实验中，放气口开度为全开时，降压初期 由于压力波的传递出现气化射流现象；放气口开度减小，射流现象不明显，并出 现明显的液面下降过程。带p a g 润滑油的可视化实验中，放气初始高压c 0 2 与 润滑油存在明显的分界线，随着液相c 0 2 的消失，混合物整体沸腾，通过捕捉 气泡的变化情况，发现大的气泡在密度差的作用下，由混合物内部向上部运动， 到达边界后逐渐破裂。 分别运用f l u e n t 和e e s 两种软件对纯质c 0 2 快速降压过程进行模拟分析， 两种方法的结果有着很好的一致性，但由于两种方法分别应用二维与三维模型， 使得在放气时间上的计算结果两种方法有着较大的差别，可采用优化试块轴向尺 寸与修改f l u e n t 二维计算模型两种方法来完善针对c 0 2 快速降压过程的研究。 在放气时间、压力和温度的结果比较上，实验结果与模拟计算结果有一定的 差别，但整体的变化趋势趋于一致，而且用f l u e n t 进行压力模拟时，压力波 的传递现象与可视化实验中的气化射流现象有较好的吻合，模拟计算结果可对今 后膨胀机的研究提供指导。本文还指出优化模拟计算模型所要考虑的因素，以减 小模拟结果与实验结果的差别。 针对c 0 2 滚动活塞式膨胀机，本文运用f l u e n t 和e e s 两种模拟方法，分 别对膨胀机内部流动过程、降压过程、泄漏过程、摩擦过程进行模拟分析，可以 看出，两种方法压力分析结果一致，因此，每个方法所分析的其它过程均可作为 彼此的补充，从而指导今后膨胀机的设计与研究。 最后，本文通过运用实验与模拟计算方法对c 0 2 膨胀机性能进行分析与研 究，提出进一步改进和完善系统和模拟软件的建议。 关键词： c 0 2 跨临界循环可视化实验研究滚动活塞式膨胀机模拟计算 a b s t r a c t f o rt h ed e t e r i o r a t i o no fo z o n ed e p l e t i o na n dg r e e n h o u s ee f f e c t ，r e s e a r c ho nt h e a p p l i c a t i o no fc 0 2h a sb e c o m eh o t s p o ta l lo v e rt h ew o r l d b a s e do nt h ek e yi s s u e so f c 0 2h e a tp u m pc y c l es y s t e mw i t he x p a n d e r , t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nr e s e a r c h i n g t h ec 0 2r a p i dd e c o m p r e s s i o np r o c e s sa n dt h ew o r k i n gp r o c e s so fc 0 2r o l l i n gp i s t o n e x p a n d e rb ys i m u l a t i o nw i t hf l u e n t ，e e sa n dt a k i n ge x p e r i m e n t i no r d e rt od i r e c t l yo b s e r v i n gt h ec 0 2r a p i dd e c o m p r e s s i o np r o c e s s ，av i s u a l e x p e r i m e n t i sc a r r i e do u t t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ei n t e r n a l p r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r eb o t hr e d u c e t h eh i g h e ri n i t i a lp r e s s u r ei s ，t h el o n g e rd e f l a t i o nt i m ew i l l b e a n dt h eh i g h e ri n i t i a lt e m p e r a t u r ei s ，t h em o r eo b v i o u si n t e r n a lt e m p e r a t u r ed r o p s i nt h ev i s u a le x p e r i m e n to np u r ec 0 2d e c o m p r e s s i o np r o c e s s ，w h e nt h ev e n to p e n sa l l ， ag a s i f i e dj e tf l o wp h e n o m e n o no c c u l t si nt h ep r e s s u r ed r o p p i n gi n i t i a lp e r i o d a c c o r d i n gt ot h ep r e s s u r ew a v et r a n s m i s s i o n w h e nt h ev e n to p e n i n gr e d u c e s ，t h ej e t f l o wp h e n o m e n o ni sn o to b v i o u s ，a n da no b v i o u sp r o c e s so fl i q u i dl e v e ld r o p p i n g c o u l dp r e s e n t i nt h ev i s u a le x p e r i m e n to nc 0 2d e c o m p r e s s i o np r o c e s sw i t hp a go i l ， a no b v i o u sb o u n d a r ye x i s t si nt h ep r e s s u r ed r o p p i n gi n i t i a lp e r i o d t h eo v e r a l l m i x t u r ee b u l l i t sa st h el i q u i dp h a s ec 0 2d i s a p p e a r s t h r o u g ht h ec a p t u r et ot h eg a s b u b b l e sc h a n g i n g ，i tc a nb ed i s c o v e r e dt h a tt h eb i gg a sb u b b l em o v e sf r o mt h ei n n e r t ot h eu p p e ri nt h em i x t u r eu n d e rt h ef u n c t i o no fd e n s i t yc o n t r a s t ，a n db u r s t sg r a d u a l l y a f t e ra r r i v i n ga tt h eb o u n d a r y s i m u l a t i o na n a l y s i so nt h ec 0 2r a p i dd e c o m p r e s s i o np r o c e s si sc a r r i e do nb y f l u e n ta n de e ss e p a r a t e l y t h e r ei sc o n s i s t e n ti nt e n d e n c yb e t w e e nt h er e s u l t so f t h et w om e t h o d s ，w h i l et h ed e f l a t i o nt i m eb e t w e e nt h et w om e t h o d s r e s u l t sh a sb i g d i f f e r e n c eb e c a u s eo fd i f f e r e n tc o m p u t a t i o nm o d e l s r e s e a r c ho nt h ec 0 2r a p i d d e c o m p r e s s i o np r o c e s sc a nb ec o n s u m m a t e db yo p t i m i z i n gt h ea x i a ls i z eo ft h et e s t b l o c ka n dr e v i s i n gt h ef l u e n tt w o d i m e n s i o n a lc o m p u t a t i o nm o d e l i nt h ec o m p a r i s o no fd e f l a t i o nt i m e ，p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eb e t w e e nt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ew h o l ec h a n g et e n d e n c yo fe v e r y v a r i a b l et e n d st ob ec o n s i s t e n t a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l tt ot h ec h a n g i n gp r e s s u r e w i t hf l u e n tc a nm a t c ht h ev i s u a le x p e r i m e n t a lr e s u l to fg a sj e tf l o wp h e n o m e n o n w e l l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sm a yb ea ni n s t r u c t i o nt ot h er e s e a r c ho ne x p a n d e r t h i s a r t i c l ea l s op o i n t so u tt h ef a c t o rw h i c hs h o u l db ec o h s i d e r e di nt h eo p t i m i z a t i o no f s i m u l a t i o nm o d e l i nv i e wo ft h ec 0 2r o l l i n gp i s t o ne x p a n d e r , t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ei n t e r i o r f l o w i n gp r o c e s s ，d e c o m p r e s s i o np r o c e s s ，l e a k i n gp r o c e s sa n d f r i c t i o np r o c e s si nt h e e x p a n d e ru s i n gt w os i m u l a t i o nm e t h o d s ，f l u e n ta n de e s i tc a nb es e e nt h a tt h e p r e s s u r ec h a n g i n gr e s u l t sb e t w e e nt h et w om e t h o d s a r es i m il a r t h e r e f o r e ，t h er e s u l t s o fo n em e t h o dc a nb et h es u p p l e m e n tt ot h eo t h e rm e t h o d ，a n db o t ht h et w o s i m u l a t i o nm e t h o d sc a i lb et h ei n s t r u c t i o nt o rt h ef u t u r er e s e a r c ha n dd e s i g n f i n a l l y ，b a s e do nt h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nm e t h o d ，t h i sa r t i c l ec a r r i e so n t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec 0 2e x p a n d e r ，a n ds o m ea d v i c e s a r ep u tf o r w a r df o rf u r t h e ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：c 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l e ，v i s u a le x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，r o l l i n g p i s t o ne x p a n d e r , s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘凄盘堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲根当说签字吼7 年6 月、日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞凄态堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权叁凄态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 爹j 乡玩 签字目期：尸年6 月y 日 翮虢多一人 - = 1 7 ， 签字日期：矽年6 月y 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 传统的能源量逐渐减少，环境危害日益突出，对人类的生存与发展造成了巨 大的威胁，如何正确协调人类社会的不断发展与环境保护的关系，实现生态环境 与人类社会的可持续发展成为整个人类社会所关注的重大问题。 随着人类生活水平的不断提高，制冷空调行业逐步发展，2 0 世纪3 0 年代氟 利昂类人工合成制冷剂的出现，更对制冷技术的提高产生了巨大的推动作用，从 而得到了较广泛的应用。1 9 7 4 年，美国加利福尼亚大学的r o w l a n d 教授与m o l i n a 博士指出【l 】，氯氟烃类物质排放到大气中时，在紫外线的照射下，其分子会发生 分解，分子中的氯原子游离出来，与臭氧层中的氧原子结合，从而导致臭氧层破 坏，危机人类健康与生态平衡。另外，氯氟烃类物质在大气中浓度增加，将会产 生“温室效应”，加剧全球气候变暖。有预测分析，将来中国的气候变暖幅度将超 出全球平均水平，到2 0 2 0 年全国年平均温度将增加0 2 3 7 ，到2 1 0 0 年将增 加到1 3 8 9 c 。气候变暖也会影响气候要素的一系列变化，中国因气候变化造 成的损失占到整个g d p 的3 。 随着科学技术的不断进步，针对臭氧层破坏和温室效应的问题，国际社会给 出了相应的回应：1 9 7 6 年，联合国环境署( u n e p ) 理事会第一次讨论了臭氧层破 坏问题。在u n e p 和世界气象组织( w m o ) 设立臭氧层协调委员会( c c o l ) ，定期 评估臭氧层破坏后果；1 9 8 5 年，国际社会缔结了保护臭氧层的维也纳公约， 鼓励政府间在研究、有计划地观测臭氧层、监督c f c s 的生产和信息交流方面合 作；1 9 8 7 年，2 4 个国家和欧共体联合签署了著名的关于消耗臭氧层物质的蒙 特利尔议定书，限制臭氧层破坏物的生产，并提出全面禁止使用c f c s ；1 9 9 7 年的京都议定书又对h f c s 等温室气体进行了淘汰；2 0 0 6 年欧盟颁布了 e c 8 4 2 2 0 0 6 法规和e c 4 0 2 0 0 6 指令，加速了淘汰f g a s e s 等温室气体的步伐； 2 0 0 7 年第1 9 届蒙特利尔议定书缔约方大会通过了加速h c f c s 淘汰步骤的议案； 2 0 0 7 年巴厘岛国际环境会议对东京议定书结束期限后的环境问题进行了国际磋 商。面对能源法规的不断进步，制冷剂的发展逐渐向着两个截然不同的方向进行： 一个是化合新的零o d p 和低g w p 的合成制冷剂，即对现有的制冷设备的制冷 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 剂能够进行直接替换，减少了由于改装设备而造成的成本提高。另一个是退回到 自然工质，如碳氢化合物、n h 3 和c 0 2 等。在常用的自然工质中c 0 2 最具有竞 争力，被以故前制冷学会主席g l o r e n t z e n 称为是“无可取代的制冷工质”【2 】，在 他的大力提倡下，c 0 2 制冷技术又一次成为全球范围内研究的焦点。 c 0 2 制冷剂是自然工质，其优点很多：安全无毒，本身不燃烧也不助燃，在 对可燃性和毒性有严格控制的场合应用合适，臭氧层破坏势o d p = 0 ，温室效应潜 质g w p = i ，价格低廉( 是合成制冷剂的1 1 0 1 5 0 ) ，其单位容积制冷量为人工 合成制冷剂的5 8 倍，而且其气体密度高、流体粘度小( 0 时的c 0 2 饱和液体粘 度只有n h 3 的3 l ，r 1 2 的4 9 ，c 0 2 饱和蒸气的运动粘度仅为n h 3 的5 2 ，r 1 2 的2 3 8 5 ) ，可以使系统的质量降低、结构紧凑( 与同规格r 1 2 制冷系统比较， 管重可减轻3 0 4 0 ，压缩机工作容积可减小8 0 9 0 ) ，化学稳定性好，完 全适合于普通的润滑油和通常的制造材料，c 0 2 制冷循环的压缩比要比常规工质 低，压缩机的容积效率可维持在较高的水平。同样，c o z 也有不足之处：其临界 温度低( 3 1 1 ) ，临界压力高( 7 3 8 m p a ) ，从而工作压力高，且系统效率较 低。因此，c 0 2 作为制冷工质时不宜采用常规工质的亚临界循环，一般采用跨临 界循环方式，其中放热过程是在c 0 2 超临界区进行，整个放热过程没有相变现象 的产生，是一个变温的放热过程，有较大的温度滑移，这种温度滑移正好与所需 的变温热源相匹配，是一种特殊的劳伦兹循环，但c 0 2 单级压缩跨临界循环系统 的c o p 要低于传统氟利昂工质( r 2 2 、r 13 4 a 等) ，这也是c 0 2 跨临界循环的另一 主要缺点，一般通过采用多级压缩中间冷却来克服。 近年来有不少研究者对提高c 0 2 跨临界制冷循环效率的方法进行了研究。 r o b i n s o n t 3 1 等人的研究表明，在c 0 2 基本跨临界循环系统中加入回热器，用蒸发 器出口的冷蒸气冷却气体冷却器出口的制冷剂，制冷系统的c o p 可以提高大约 7 。f r i e d r i c hk a u f t 4 j 发现c 0 2 跨临界制冷循环存在一个最佳高压压力，这个高压 压力下的循环效率比其它压力下高。 空调制冷系统用膨胀机代替节流阀并回收膨胀功，在制冷原理中早有探讨， 但在技术上不易实现。主要是气液两相流膨胀机难于设计，再加上卤代烃等常规 制冷工质的膨胀比大( 2 0 4 0 ) ，理论回收功占压缩功比例较低( 5 - - - 1 0 ) ， 采用膨胀机回收部分功既不经济也不容易实现。c 0 2 跨临界循环节流损失非常 大，在相同当量冷凝温度情况下，c 0 2 循环的效率比常规工质低2 0 3 0 ( 见 表1 1 ) i s 。但c 0 2 跨临界循环的容积膨胀比是2 , - - - 4 ，理论回收的膨胀功约占压缩 功的2 0 2 5 1 6 1 ，因此，针对该循环特点，如果采用膨胀机回收一部分膨胀功， 将对提高c 0 2 跨临界系统整体的效率有着很大的意义，采用膨胀机是提高c 0 2 跨 临界循环c o p 的根本措施。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1c 0 2 节流阀和膨胀机循环与r 1 3 4 a 循环、r 2 2 循环的对比 1 2c 0 2 跨临界膨胀机的研究 l o r e n z e n 教授在1 9 9 4 年首先提出了使用膨胀机回收膨胀功的方法【_ 7 1 ，膨胀 机的开发一般是建立在压缩机基础上进行的，但膨胀机的体积要小于压缩机，特 别是c 0 2 的比容很小，可以大大减小膨胀机的尺寸；有些形式的膨胀机需要进 行吸气控制，控制装置的设计需保证吸气的角度和位置，同时也要满足耐压和泄 漏小的特点。同c 0 2 压缩机的研究一样，目前国际上对c 0 2 膨胀机也缺乏公开 描述膨胀机原型机的研究和制造文献，而且开发的膨胀机效率还比较低，公开发 表的最高效率在4 0 左右1 8 j 。 1 2 1 国内外研究现状 研制c 0 2 膨胀机是推动c 0 2 跨临界循环走向普遍应用的重要途径。各大学、 研究机构和各大型制冷公司都进行y c 0 2 制冷膨胀机的研究工作i 引。 1 德国d r e s d e n 大学根据空气分离系统中应用的自由活塞膨胀压缩机，对 应用在c 0 2 双级压缩制冷系统中的自由活塞膨胀压缩机进行研制( 如图1 1 ) 。在这 个系统中自由活塞膨胀压缩机中的压缩部分作为高压级侧的压缩机，由膨胀机驱 动，低压侧则为独立压缩机。由于系统利用2 级压缩，每一级的压缩比减小，压 缩机的绝热效率提高，则系统的能效比也提高，同时解决了膨胀回收功的利用问 题。虽然此膨胀压缩机解决了吸气排气阀的问题，但仍需控制吸排气活塞的位置。 在此基础上开发了第二代( 如图1 2 ) ，增加了摆杆齿轮使两个活塞的速度不同，在 压缩和膨胀过程中，两个活塞只有部分力相互影响。第二代可比第一代系统c o p 提高将近1o 。 2 英国m i e e dr i v e r 科技公司在滑片压缩机的概念上开发了铰链式的膨胀 压缩机，如图1 3 所示，将滑片改变为有一定厚度的楔形的叶片，与转子活动连 接，有一定的角度，端部与气缸紧密接触，并随转子的转动夹角改变，导致容积 变化，同时将整个膨胀腔分割成多个基元。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 自由活塞膨胀压缩气缸图1 - 2 第二代膨胀压缩样机 此种叶片由于滑片厚度增加，减少了在高压下工作的变形，但仍存在泄漏大 的问题，同时滑片磨损大；另一个主要问题是摩擦，它将决定膨胀机的寿命和实 际的输出功效率。此机的最大特点是在同一设备中一半进行压缩，另一半则进行 膨胀，此种形式需考虑膨胀比和压比不同的问题。膨胀过程余隙容积与压缩过程 的余隙容积对两个过程的相互影响也必须加以考虑。 高压流体出口高压流体入口 压缩 低 图1 3 转动铰接叶片式膨胀压缩机的示意图图1 - 4d e n s o 的往复式压缩膨胀机 3 日本d e n s o 公司已经对c 0 2 活塞、转子、涡旋膨胀机申请了专利。活塞 式膨胀机也为自由活塞膨胀压缩机形式( 图1 4 ) ，涡旋膨胀机输出功的方式为 与发电机同轴、与压缩机同轴、压缩机发电机同轴，传动方式为同轴传动和皮带 传动，转子膨胀机的进气阀是电子控制阀。对关键的部位都进行了重新设计并申 请专利。 4 伦敦c i t y 大学的n s t o s t i c d 、组对制冷系统c 0 2 双螺杆压缩膨胀机进行 了理论研究。如图1 5 所示，高压液体由壳体上部靠近中间处的膨胀机入口进入， 并将膨胀后的气液两相流从壳体底部一端的低压出口排出。其压力降转化为膨胀 功推动转子运转。蒸气从蒸发器经在壳体上部的另一端的低压入口进入压缩机进 行压缩，然后从壳体底部靠近中间处的高压出口排入气体冷却器。 5 美国u i u c 研究中心，对研制汽车空调c 0 2 离心式膨胀机作了分析报告。 报告认为容积式膨胀机在高压下运行，会引起摩擦力增大，因此产生大量的热， 导致效率降低。同时汽车空调要求膨胀机的尺寸要小，离心式膨胀机尺寸很小， 虽然转速高，但磁悬浮轴承是可以保证高转速。研究调研了低温气体透平膨胀机 的尺寸，并在制冷量为3 0 0 0 w 的情况下，给出c 0 2 离心式膨胀机叶轮和喷嘴尺寸， 天津大学硬士学位论文 第一章绪论 叶轮转速迭3 5 万r m i n 。报告没有对加工难度，泄漏摩擦情况进行考察 。， r 一 代替节流阀可将c o p 整体提高5 。天律大学热m 1 - 6 c 0 2 滚动活塞膨胀机 能研究所还开展了一系列其它类型c 0 2 膨胀机的研究工作悱“ ，先后开发了滚动 活塞式膨胀机和摆动转子式膨胀机，目前已经开发出了第三代滚动活塞膨胀机， 如图l 一6 所示。该滚动活塞膨胀机通过联轴器与发电一电动机白下而上同轴连接； 滚动活塞膨胀机、联轴器和发电一电动机为全封闭形式：吸气控制机构采用凸轮 行程联动吸人阀杆的机械式入口控制方式。实验结果表明，该膨胀机的绝热效率 为3 0 毗上，最高效率达到4 6 。 褥、三一墨塑薹鎏篷滋滋罴藁 攀麟瓣隔一 天津大学硕士学位论文第一章绪论 西安交通大学自19 9 8 年就对用于o r c ( o r g a n i cr a n k e nc y c l e ) 回收低品位 热能的滑片式膨胀机进行了性能测试。邢子文、彭学院等分别对c 0 2 滑片式膨胀 机和自由活塞式膨胀机进行了实验及理论研究 1 6 - 1 8 l ，设计的样机工作稳定，但滑 片式膨胀机内部的泄漏较大，自由活塞式膨胀机的振动严重，下一步将对膨胀机 的性能进行改造。 1 2 2c 0 2 膨胀机需要解决的主要问题【2 0 】 随着人们对c 0 2 膨胀机研究的不断深入，一些最初遇到的问题：例如，由 于c 0 2 跨临界循环在较高压力下运行，高压可达1 2 m p a ，低压也有3 m p a 左右， 因此膨胀机的零部件的耐压性要好，要求在大压差下变形要小。在加工制造膨胀 机时应该进行材料强度和刚度的分析，这隶属于机械强度问题；再如c 0 2 跨临 界循环系统选择润滑油面临许多困难：超临界状态的c 0 2 容易溶解于润滑油中， 稀释后的润滑油粘度会大大降低；膨胀机承受压力负荷较高，润滑油膜可能会被 流动的超临界状态的c 0 2 破坏；润滑油膜可能会被溶解在润滑油中的c 0 2 汽化 所破坏；这可归结为润滑油的选择等等这类问题已经基本得到了解决方案。 还有一些问题正在努力探索：例如由于膨胀机所处工作环境中存在较大压 差，如果这些运动部件的间隙较大，可能引起较大的泄漏损失，最终导致膨胀机 效率的大大降低，相反如果运动部件的间隙较小，可能引起较大的摩擦损失，最 终导致膨胀机的稳定性和使用寿命大大减小。因此应合理控制摩擦副间隙，使泄 漏损失和摩擦损失之和最小，同时也应该特别注意考虑较大的压差下可能产生的 变形。 在c 0 2 膨胀机的研究过程中还存在某些与膨胀相变过程以及非稳态流动相 关的机理性问题，由于建立这些问题模型的理论基础还不十分明确，一般都属于 交叉学科，例如快速压降下c 0 2 相变膨胀作功问题，用经典工程热力学理论无 法作出完美的解释，一般还需要考虑分子动力学、统计热力学以及聚集态理论等 等，而且这些理论依据本身就不够完善，还在不断地探索和发展，因此基于这些 基本理论建立的研究方法也需要不断地革新开发。如果根据理论分析和实验研究 建立的模型能够很好地解释c 0 2 膨胀机中快速压降膨胀作功和入口段的压力脉 动等问题，就可以把握c 0 2 膨胀机内部膨胀过程的实质，突破常规性能限制的 瓶颈，开发出高效的c 0 2 膨胀机。 1 2 3c 0 2 膨胀机的模拟研究方法 以上国内外研究中多数以实验研究和理论分析为主，其中针对c 0 2 膨胀机内 部流体流动过程的模拟及压力变化等的机理研究较少。伦敦的c i t y 大学针对螺 天津大学硕士学位论文第一章绪论 杆式膨胀压缩机并运用c c m 和c f d 软件模拟软件对膨胀压缩机内部压力及温 度分布特性进行了数值分析【l q ，如图l - 7 所示，左边是压缩机的一组参数，进气 压力为3 m p a 排气压力为9 m p a ，右边是膨胀机的一组参数进气压力为9 m p a ， 捧气压力为32 m p a ，压缩机与膨胀机同轴连接，并加一发电机进行辅助补给压 缩机的电力需求，其分析目的主要是利用分析结果进行膨胀压缩机的合理设计、 提高系统的整体效率。 d i s p l a tf m i eq 1 t ，c 日* f b 4 p 自3 2 - d k m l - 7 伦较c i t y 大学膨胀压缩机数值模拟结果图 f l u e n t 软件是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程 序。它具有如下模拟能力：不可压或可压流动；定常状态或者过渡分析：无粘， 层流和湍流：牛顿流或者非牛顿流i 对流热传导包括自然对流和强迫对流；耦 合热传导和对流；辐射热传导模型；惯性( 静止) 坐标系非惯性( 旋转) 坐标系 模型；多重运动参考框架，包括滑动阿格界面和m t o r s t a c o ri n t e r a c t i o nm o d e l 岫 的混合界面：化学组分混合和反应，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型：热， 质量，动量，湍流和化学组分的控制体源；粒子，液滴和气泡的离散相的拉格朗 日轨迹的计算，包括了和连续相的耦合；多孔流动；一维风扇，热交换模型：两 相流包括气穴现象；复杂外形的自由表面流动。 上述各功能使得f l u e n t 具有广泛的应用，主要有以下几个方面：p m c c s s a n d p f o ( 七s s e q u i p m e n t a p p l i c a t i o n s = 油，气能量的产生和环境应用；航天和涡轮机械的 应用；汽车工业的应用：热交换应用；电子h v a c 膻用：材料处理应用；建筑 设计和火灾研究。总而言之，对于模拟复杂流场结构的不可压缩，可压缩流动来 说，f l u e n t 是根理想的软件。 利用f l u e n t 软件对于膨胀机内部的流动过程进行模拟的研究较少，根据天 津大学热能研究所在先前对c 0 2 膨胀机理的研究基础上，应该加强其内部流动过 程的研究，来指导今后膨胀机和膨胀压缩机的设计。本文主要和用f l u e n t 和e e s ( e n g i n e e r i n ge q u a t i o ns o l v e r ) 两个软件作为模拟计算工具，分别分析c 0 2 快速 压降过程及c o ：滚动活塞式膨胀机的内部流动过程和工作过程。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 课题研究的内容、方法与意义 根据目前国内外在c 0 2 跨临界系统膨胀机的研究现状，本文针对前面所述 的c 0 2 膨胀机需要解决的关键问题进行模拟计算与可视化实验研究。 1 3 1 课题研究的内容与研究方法 本文主要针对c 0 2 膨胀过程进行研究，所涉及的具体研究内容与所应用的 方法为： 1 c 0 2 快速压降过程的可视化实验研究 研究c 0 2 快速压降过程是分析c 0 2 膨胀相变机理的基础，可为c 0 2 膨胀机 的研究提供理论基础，而且在膨胀机运行过程中，存在系统中润滑油的影响，本 文将进行相应的c 0 2 快速压降过程实验，分析快速压降中压力特性、温度变化 特性，同时运用高速摄影设备对快速压降过程进行可视化观察，可视化部分包括 快速降压初始时的气泡生成现象( 无润滑油) ，降压中间过程的气化现象及c 0 2 溶于p a g 润滑油后，在降压过程中气泡的成长情况。实验装置为一快速压降试 块，通过放气口的放气来实现快速降压，在实验中要应用到高精度石英压力传感 器、热电偶和高速摄影等实验测试工具。 2 c 0 2 快速压降过程的模拟计算与分析 运用f l u e n t 数值计算软件与e e s 编程软件进行c 0 2 快速压降过程的模拟， 对比两种模拟方法，实现实验与理论的共同进行，为c 0 2 相变机理的研究提供 参考依据。由于所用制冷工质c 0 2 性质的限制，应用的f l u e n t 软件存在局限， 其不能提供相应的物性程序，必须自主编写c 0 2 物性程序，然后再运用f l u e n t 软件对其快速压降过程进行模拟；应用e e s 软件主要是为所得结论提供其它的 理论依据，弥补f l u e n t 不能得到的一些数据。对于含有润滑油的快速降压情 况，由于两种软件都不能很好的提供润滑油的物性数据，模拟计算分析困难，本 文将不予考虑。 3 c 0 2 滚动活塞式膨胀机的模拟计算与分析 本文主要针对实验室现有的c 0 2 滚动活塞式膨胀机进行模拟分析，运用 f l u e n t 软件与e e s 软件分别对其流动过程及工作过程进行模拟计算，应用 f l u e n t 软件要采用动网格模型，并编写滑板与滚动活塞运动的u d f 程序进行 调用，同于上述c 0 2 快速压降过程的模拟计算，还须自主编写膨胀机工作过程 中c 0 2 的物性程序，再通过f l u e n t 软件进行模拟计算；运用自主编制的e e s 程序讨论膨胀机工作过程中泄漏及摩擦对滚动活塞式膨胀机工作过程的影响。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 课题研究的意义 本文对c 0 2 快速压降过程进行实验与模拟计算，为膨胀相变机理提供依据， 对滚动活塞式膨胀机工作过程及其内部流体流动过程的模拟计算，为高性能膨胀 机的开发奠定了基础。本文主要应用两种软件作为模拟工具，即现有的比较成熟 的流体力学软件f l u e n t 和能够提供工质物性参数的e e s 软件，两种软件可以 互相验证，互补不足。 本文立足于c 0 2 跨临界热泵系统的膨胀机的研究，促进这一新型系统的应 用走向成熟，为传统工质的替代提供最终的解决方案，为制冷空调行业的发展产 生积极的影响。 1 4 本章小结 本章以制冷工质的替代与淘汰为基础，明确自然工质c 0 2 在今后制冷热泵 系统中的应用前景，通过介绍课题的研究背景及国内外以c 0 2 为工质膨胀机研 究现状，提出现今c 0 2 膨胀机应给予解决的一些问题，并确定本文的研究内容、 方法及意义。 天津大学硕士学位论文 第= 章c 0 2 快速降压过程的可视化实验研究 第二章c o z 快速压降过程的可视化实验研究 为了对c 0 2 快速压降过程有根好的了解，对其内部压力变化和c 0 2 与p a g 润滑油的相容性有更深一步的研究，本文利用一可进行c 0 2 快速压降实验的试 块( 如图2 1 ) ，对该过程进行研究，实验试块内腔轴向长度5 06 r a m ，直径2 3 r a m 。 图中压力表用于直接观察试块内部的初始压力，试块固定架可以固定试块， 使实验可阻在一个稳定的平面上运行，压力传感器位于试块上部分，热电偶位于 下部分，分别用来测量压力和温度的变化情况。 0 ) 实验试块的正视图实验试块的侧视图 图2 - ic 0 2 快速压降实验试块实物图 2 1 实验装置介绍 整个实验装置由四大部分组成，叩进行c 0 2 快速压降实验的试块及其测试 系统、用于可视化实验的高速摄影设备和带润滑油实验时用于称量油重的双量程 精密天平。测试系统主要包括两个部分：压力颡l 试系统和温度测试系统。 2 1 1c 0 2 快速压降的实验试块 如图2 一l 所示，试块的主体由一个不锈钢承载体和两块透光率较好的耐高压 天津大学硕士学位论文第二章c 0 2 快速降压过程的可视化实验研究 玻璃组成，其作用是通过利用外部光源对其内部相变过程进行可视化研究，同时 安装有压力传感器、热电偶和卸压阀门控制装置，整个试块的密封性能较好。 2 1 2 压力测试系统8 】 目前，在高压、动态压力测量中常采用高频动态压力传感器，该传感器是根 据压电效应制成的，其产生的电荷量属于静电性质，电荷量的大小无法用一般的 仪表测量，必须与电荷放大器一起使用，即压力传感器产生的电荷信号经过电荷 放大器放大后转换为压力信号输出。因此，其压力测试系统应包括高频压力传感 器、电荷放大器和数据采集器等相关设备。 1 高频动态压力传感器 本实验选用瑞士奇石乐( k i s t l e r ) 公司生产的6 0 1 a 型压力传感器，其测量 压力可达2 5 m p a ，能够承受实验要求的压力变化( 1 2 m p a ) ，同时该压力也可以 代表膨胀机内部的压力变化要求，其它技术指标如表2 1 所示。 表2 16 0 1a 型压力传感器的技术指标 项目指标项目指标 标准压力 o 2 5 加速度灵敏度b a r g f l u e n t 软件的计算时间。两种模拟计算方法中放气口的开度以试块壁上的小孔尺 寸为基准，而实际的放气口前段连接有用于充灌工质和放气的连接阀及工 质输气管，这使得实际的放气口尺寸要小于模拟计算时的尺寸，由于该尺 寸的确定过程复杂，本文没有涉及。相比于两种模拟计算软件的计算过程， 天津大学硕士学位论文 第三章c 0 2 快速降压过程的模拟 通过对快速压降过程进行观察，可以看到，在放气过程中试块内部有着很 大的流动不稳定性，这部分在模拟计算软件中并没有体现。综合上述两种 情况的影响，都决定了实验结束的放气时间要远大于模拟计算的时间。 从压力的变化趋势上看，实验结果与模拟计算结果在趋势上有着很好的一 致性。应用压力传感器测得的压力数据没有体现放气初始压力的骤降，主 要是因为应用压力传感器采集到的数据为周期性的波动下降趋势，且数据 数量较大，本文给出的压力变化曲线为根据数据确定的整体变化趋势曲线。 用f l u e n t 进行压力模拟时，压力波出现由放气口至距离放气口最远端的 传递，这与可视化实验结果中的气化射流现象有较好的吻合度，但由于 f l u e n t 中没有涉及两相流分析，其结果不存在气泡的影响。 从温度的变化趋势上看，实验结果与模拟计算结果在趋势上同样有着很好 的一致性。模拟计算结果的放气末温度要远低于实验结果的放气末温度， 主要是因为模拟计算模型均采用绝热边界条件，忽略了壁面和内部c 0 2 间 传热、节流摩擦对流体的加热以及低温c 0 2 通入大气( 环境温度远大于膨 胀后c 0 2 的温度) 后被大气加热等过程的热交换。从实验过程中可以观察 到，在放气结束后的较短时间内，由于试块内腔较小，不锈钢材料热容量 较大，热电偶测得的温度会出现较大幅度的上升。综合上述两种情况的影 响，模拟计算结果的放气末温度要远低于实验结果的放气末温度。 虽然在放气时间、压力和温度的结果比较上，实验结果与模拟计算结果有 一定的误差，但整体的变化趋势都是趋于一致的，模拟计算结果可以对今 后膨胀机的研究提供一定的指导。 在今后的研究中，可以充分考虑本文上述的各种影响因素，优化模拟计算 模型，以减小模拟结果与实验结果的误差。 3 5 本章小结 本章运用f l u e n t 和e e s 两种模拟方法，对c 0 2 快速压降过程进行模拟计 算并得出相应结论，两种方法在参数的变化趋势上相同，而且运用f l u e n t 软 件进行的压力模拟和可视化结果有着较好的吻合度。本章还指出快速压降试块需 要改进的方法，同时通过对比模拟计算结果与实验结果，指出今后在模拟计算模 型的优化过程中应该考虑的些因素。 天津大学硕士学位论文第四章c 0 2 滚动活塞膨胀机的模拟与分析 第四章c 0 2 滚动活塞膨胀机的模拟与分析 基于第三章的模拟计算方法，本章同样利用f l u e n t 计算分析软件和e e s 编程软件分别对c 0 2 滚动活塞膨胀机内部流动过程和工作过程进行模拟分析。 与前面所述容器的放气过程一样，c o z 滚动活塞式膨胀机内部的工作过程也 是典型的非稳态过程，属于t i m e d e p e n d i n g 类型问题，膨胀机活塞在运动的过程 中气缸内部的速度场、温度场和压力场都在随时间发生变化。还有，由于物性变 化发生了改变，对滚动活塞膨胀机内部流动过程进行模拟时还要重新编译物性程 序，与第三章在物性方面的假设相同，认为滚动活塞膨胀机内部的c 0 2 也为均相 流。 4 1 滚动活塞膨胀机的工作原理 与滚动活塞压缩机的工作原理完全相反，滚动活塞膨胀机主要是将进入其中 的流体进行膨胀，从而达到制冷的目的。在结构上滚动活塞压缩机为了得到较高