基于Ansys的涡旋式制冷压缩机热分析概述.doc

1.ANSYS分析概述 1.1.热分析简介 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布以及其它物理参数，如热量的获取或损失，热梯度，热流密度（热通量）等。在许多工程应用中都需要对结构进行热力学分析，如内燃机，涡轮机，换热器，管路系统，电子元件等。 对于ANSYS的热分析功能，一般包含于ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/Thermal，ANSYS/FLOTRAN，ANSYS/ED五种产品模块中，其中ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。ANSYS热分析基于能量守恒的热平衡方程，用有限元方法计算各节点的温度，并导出其它物理参数。包括热传导、热对流和热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变，有内热源，接触热阻等问题。 1.2.热分析的分类 在ANSYS程序中，热分析主要包括： ·稳态传热：系统的温度场不随时间变化； ·瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化。 另外还包括一些热力学耦合分析，如热–结构耦合，热–流体耦合，热–电耦合，热–磁耦合，以及热–电–磁–结构耦合等分析功能 稳态传热 如果系统的热流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：，则系统处于热稳态。在稳态分析过程中任一节点的温度不随时间变化。其能量平衡方程为： 式中：为传导矩阵，包含导热系数，对流系数及辐射率和形状系数； 为节点温度向量； 为节点热流率向量，包含热生成。 瞬态传热 瞬态传热是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度，热流率，热边界条件以及系统内能随时间有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表示为（以矩阵形式表示）： 式中： 为传导矩阵，包含导热系数，对流系数及辐射率和形状系数； 为比热矩阵，考虑系统内能的增加； 为节点温度向量； 温度随时间的导数； 为节点热流率向量，包含热生成。 线性与非线性热分析 如果在分析中，材料热性能随温度变化，边界条件随温度变化，或者含有非线性单元等情况，则为非线性热分析。当考虑到辐射传热时，非线性热分析的热平衡矩阵方程为: (4)边界条件、初始条件 ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种，即温度、热流率、热流密度、对流、辐射、绝热、生热。 2.基于ANSYS基础上的热分析 2.1.ANSYS分析的重要性 涡旋压缩机的静涡盘是涡旋压缩机的关键零件，其工作过程受到热载荷和压力载荷引起的变形将直接影响到涡旋压缩机的性能和可靠性。由于静涡盘的结构形状比较复杂，其各部位受力不同，不能用简单的力学方法来计算其应力与应变。而利用有限元技术可以较好分析与描述涡旋压缩机在载荷作用下的应力与应变或高应力，应变区的情况，寻求有效的对策以改进涡盘的结构及提高压缩机的性能。 2.2静涡盘有限元模型的建立及理论分析 2.2.1.实体模型的建立 本模型采用APDL参数化编程技术，通过关键点的拾取，由点构成确定涡盘的内外侧渐开线，再由线构成面，把得到的面进行Z向拉伸，建立了涡圈的几何模型。把创建的底盘与涡圈进行组合，得到需要的实体模型。 2.2.2.有限元模型的建立 （1）网格的划分 type,1 mat,1 esize,0.006,0 vsel,all vsweep,all （2）施加载荷 压缩机稳定工作时，静涡盘温度基本均匀。匀的由边缘至中心逐渐升高。设吸气温度为，排气温度为。为了计算方便，温度分布简化为沿半径方向的线性变化。该分析是在温度载荷下，涡圈的应力和应变图。图上红色端盖上的颜色集中区为应力集中区，在涡盘设计中应采取合理的方法以防止变形引起的摩擦增大或泄露损失增大，确保压缩机在高效率下运行。 该模型的加载中设最外圈的温度为吸气温度15.2℃，中心温度为112℃。加载过程中把涡圈分三段加载，最外面为15.2℃,中间为80℃，中心为112℃，得到的结果如图2.7所示。 图2.1 图2.2 图2.3 图2.4 图2.5 图2.6 图2.7 3.结 论 （1）由于中心为排气温度，其值较高，因此涡盘的变形较大。在设计过程中，应合理的修正涡盘内外渐开线的形状，使得涡旋压缩机在工作过程的磨损和泄漏损失的和最小，保证涡旋压缩机在高效率的情况下运行。 （2）进出口温差相同时，不同的温度范围，应力值相差不多，因此影响应力大小的主要因素是温差。对变形而言，不同的温度范围及温差值都有较大的影响。 （3）在实际过程中，涡旋