涡旋压缩机作为一种高效低噪声的流体机械，广泛应用于制冷和空调等领域。然而，在实际工作过程中，动静涡旋盘之间的啮合间隙会导致气体泄漏，进而影响压缩机的效率和性能。尤其是在油润滑的涡旋压缩机中，润滑油的加入不仅能够减少泄漏，还能提高压缩机的密封效果和润滑效果。为此，本文通过建立径向间隙泄漏的物理模型和数学模型，利用CFD软件对不同油气比和压差条件下的泄漏特性进行了深入研究，以期为涡旋压缩机的优化设计提供科学依据。

1.径向间隙泄漏理论及物理模型

径向间隙泄漏是指由于涡旋压缩机压缩腔之间的压差变化，导致气体从高压腔向低压腔的泄漏。这种泄漏会造成压缩机的功率损耗，从而降低压缩机的效率。为了准确分析油润滑涡旋压缩机的工作过程，需要建立泄漏间隙的几何模型。在涡旋压缩机的运行过程中，动静涡旋盘之间存在一定的啮合间隙，这些间隙会导致泄漏现象的发生。本文通过建立物理模型和CFD软件进行网格划分与三维数值模拟，分析了不同油气比下径向间隙的泄漏规律，发现润滑油含量的增加会减少泄漏量，且在油气体积比为2%时，切向泄漏量最小。这一研究为油润滑涡旋压缩机的优化设计提供了理论支持。

2.间隙混合物流动数学模型

在涡旋压缩机中，混合物流动的特性参数是关键。考虑到油润滑的影响，两相混合物流动采用均相模型进行计算。首先，计算质量含气率和体积含气率，通过公式分别求得两者的关系。然后，计算混合物的密度和黏度，以及绝热指数等物性参数。这些参数通过控制方程（包括连续性方程、动量守恒方程和体积分数方程）进行建模。基于这些数学模型，可以分析涡旋压缩机在不同油气体积比和压差条件下的混合物流动情况，进一步了解混合物在径向间隙中的流动规律和泄漏特性。这些数学模型的建立和分析为优化涡旋压缩机的设计和运行提供了理论基础。

3.几何模型及网格划分

3.1几何模型

几何模型是数值模拟的基础。在涡旋压缩机的压缩过程中，动涡盘绕静涡盘以一定的偏心距离作公转平动运动，从而完成吸排气过程。本文采用圆渐开线设计涡旋压缩机的型线，基圆半径为3.5mm，涡旋齿高为40mm，吸气压力为0.1MPa，排气压力为0.5MPa。通过这些参数建立的几何模型能够准确反映涡旋压缩机的实际工作状态，为后续的数值模拟提供了基础。

3.2网格划分

网格划分是数值模拟中的关键步骤。本文通过Solidworks软件对几何模型进行建模，并将模型导入CFD软件中进行网格划分。采用结构化网格和非结构化网格两种类型进行划分，其中结构化网格的总体质量水平较高。具体网格划分结果显示，结构化网格的网格数为17,388，节点数为20,988，网格质量在0.85到1.00之间；非结构化网格的网格数为476,813，节点数为85,161，网格质量在0.35到1.00之间。最终选择结构化网格进行模拟分析，以确保数值模拟结果的准确性和可靠性。

3.3湍流模型

气液两相流的数值模拟方法主要有拉格朗日法和欧拉法。本文基于涡旋压缩机油气两相流的特点，选用欧拉模型来描述气液两相之间的相互作用。具体采用Standardk-ε湍流模型进行模拟，其控制方程包括时均动能方程和湍动能方程。通过这些湍流模型，可以准确模拟涡旋压缩机中的湍流特性，分析混合物流动和泄漏的复杂行为。这些湍流模型的应用能够提高数值模拟的精度，为优化涡旋压缩机设计提供参考依据。

4.数值计算与结果分析

4.1边界条件的设置

将划分好的单个月牙形压缩腔的结构化网格导入FLUENT软件中进行数值模拟。边界条件设定为：出口为Pressure-outlet，入口为Pressure-inlet，采用标准的κ-ε湍流模型；两相流模型选择VOF模型。扩散项用中心差分格式离散，其余项用二阶迎风格式离散，压力项用PRESTO!格式离散，并选用PISO算法进行求解。

4.2理论计算结果

根据所建立的泄漏模型，计算出在不同油气体积比下径向间隙的泄漏量随转角的变化情况，结果如图1所示。计算结果显示，在其他条件一定的情况下，径向间隙的泄漏量随转角的增加而增加，达到排气角时，泄漏量呈现小幅度的减小。随着油气体积比的增加，泄漏量随之减少。

图1理论计算结果

4.3模拟计算

模拟计算分为两个部分：不同油气体积比和不同压差对切向泄漏的影响。首先，在压差为0.2MPa时，设定油气比分别为0.5%、1.0%、1.5%和2.0%进行模拟计算。结果显示，随着润滑油含量的增加，间隙处的泄漏速度随油气体积比的增加而减小，这说明润滑油在避免形成一定厚度的油膜，对间隙泄漏的气体产生了一定的阻力作用。压力云图如图2所示。

图2压力云图（ΔP=0.2MPa）

4.4数据对比分析

通过对不同油气体积比和压差下的模拟结果与理论计算结果进行对比，发现两者的变化规律基本一致。图3展示了不同油气体积比下，泄漏量随压差的变化关系。可以看出，在径向间隙与压差一定的情况下，泄漏量随着油气比的增大而减小，而随着压差的增加，泄漏量进一步增大。图4展示了不同压差下，泄漏量随油气体积比的变化关系，显示泄漏量随着油气比的增加而减小，压差越大，泄漏量越大。通过这些数据的对比分析，可以得出结论：在一定范围内，增大油气比能够有效减少泄漏量，但最佳油气比应控制在1.5%左右。

图3泄漏量随压差的变化关系

图4泄漏量随油气体积比的变化关系

5结论

本文通过理论计算和数值模拟相结合的方法，详细研究了油润滑涡旋压缩机径向间隙的泄漏特性。研究结果表明，润滑油的加入对减少泄漏量具有显著作用，且在油气体积比为2%时效果最佳。不同的油气体积比和压差对泄漏量有显著影响，通过合理控制油气比和压差，可以有效提高涡旋压缩机的工作效率。本研究为涡旋压缩机的优化设计和实际应用提供了重要参考，对提高涡旋压缩机的性能和可靠性具有重要意义。

参考文献

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作者简介：

邢占元，大学本科，高级工程师，研究方向： 油气储运设备设施，维修，抢修，工业控制，石油化工仪器仪表。