摘 要

空气压缩机是一种在现代工业生产中应用非常广泛的用以压缩气体的设备，然而，在空气压缩机工作时会产生大量的热量，如果不能及时通过冷却系统使空气压缩机处在合理的温度环境下，就会严重制约空气压缩机的工作性能，甚至损害机器本身，造成不可逆的破坏。空压机冷却水套是空气压缩机非常重要的一部分，可以直接影响机器的性能，良好的空压机冷却水套可以保证空压机的工作处在正常的温度范围内，因此，设计合理的空压机冷却水套对空压机性能的提升至关重要。

本文利用CATIA软件进行三维建模和FLUENT软件对流场进行仿真分析。本文设计的空压机冷却水套结构并不复杂，可以在CATIA上先画好草图，然后通过凸台做出大致形状，再用凹槽和加强肋完善其他细节即可。通过三维建模方法设计出空压机冷却水套的三维模型，能够直观精确模拟出水套三维流动的具体情况，更好地设计水套的几何形状。

利用FLUENT可以对冷却水的速度场和散热流场进行仿真分析，得到不同位置和不同结构下冷却水的相关分析结果。需要利用到Fluid Flow(Fluent)和Steady-State Thermal两个求解器，分别算出速度迹线、压力场和温度场，为结构优化提供参考。

然后根据提出的冷却水套改进原则和改进方法，提出以下优化措施：（1）将出水口凸台直角改为圆角。（2）增加出水口凸台与缸壁倒角。（3）增加将四个支撑柱的倒角，并将其旋转90°，使其受阻力面减小。

关键词：空压机，冷却水套，三维流场，仿真计算

Abstract

Air compressor is a kind of equipment used to compress gas, which is widely used in modern industrial production. But air compressor will produce a lot of heat when it works. If air compressor can not be placed in a reasonable temperature environment through cooling system in time, it will seriously restrict the working performance of air compressor, even damage the machine itself, causing irreversible damage. 。 Cooling water jacket of air compressor is an important part of air compressor. Good cooling water jacket of air compressor can ensure that the air compressor works within normal temperature range. Therefore, reasonable design of cooling water jacket of air compressor is very important. Firstly, the three-dimensional model of the cooling water jacket of air compressor is designed with the aid of three-dimensional modeling software CATIA, and then meshed by ANSYS. Then flow field analysis and heat transfer analysis are carried out in the fluid dynamics analysis software FLUENT. The data obtained have important guiding significance for the structural optimization of the cooling water jacket of air compressor.

In this paper, CATIA software is used to build three-dimensional model and FLUENT software is used to simulate and analyze the flow field.Through the three-dimensional modeling method, the three-dimensional model of the cooling water jacket of air compressor is designed, which can directly and accurately simulate the concrete situation of the three-dimensional flow of the water jacket, and better design the geometric shape of the water jacket and the layout of the water holes.

FLUENT can be used to simulate and analyze the velocity field and heat dissipation flow field of cooling water, and get the relevant parameters of cooling water in different positions and dimensions. Fluid Flow (Fluent) and Stady-State Thermal solver are needed to calculate the velocity trace, pressure field and temperature field respectively, which can provide reference for structural optimization.

Then, according to the improved principle and method of the cooling water jacket, the following optimization measures are put forward: (1) The right angle of the outlet protrusion is changed to the round corner. (2) Increase the chamfer between the protrusion of the outlet and the cylinder wall. (3) Increase the chamfer of the four supporting columns and rotate them 90 degrees to reduce the resistance surface.

Key Words：Air Compressor，Cooling Water Jacket,Flow Field，Simulation Clculation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 软件介绍 3

1.4本文选题介绍 4

第2章 空压机冷却水套的设计 4

2.1空压机常用冷却方式介绍 4

2.2水套几何模型创建 5

2.3网格划分和计算模型 6

2.4 边界条件 8

2.5 本章小结 . 8

第3章 空压机冷却水套的 CFD 分析 9

3.1 CFD 计算结果分析 . 9

3.2 冷却水套流场分析. 10

3.3 冷却水套压力损失分析 11

3.4 冷却水套温度场分析. 12

3.5 本章小结 . 13

第4章 冷却水套的结构优化 14

4.1 空压机冷却水套的改进方法 14

4.2 优化方案的提出 . 14

4.3 优化方案的综合对比分析 . 15

4.4 本章小结 . 17

第5章 总结展望 . 19

5.1 全文总结. 19

5.2 工作展望.... 19

参考文献 20

致谢 21

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

空气压缩机作为一种工业生产领域常见的生产设备，广泛应用在各种大型设备上或者在一个系统中独立运行。在空压机正常运转过程中会产生大量的热量，另外，由于这是一个周期性的过程，不同零件和构件之间相互摩擦碰撞再加上热变形及其应力，对于机体而言是非常不利的挑战。结构设计如果不合理，在多种摩擦力和应力的联合作用之下，很有可能超过材料的极限屈服强度，相关的零部件有可能产生裂痕，甚至变形和断裂，这不仅仅影响到空压机的使用寿命和工作性能，还有可能造成更严重的破坏，导致危险的后果。

在空压机设计时要综合考量多种问题，比较简明的方法是用数值模拟方法来仿真分析，因为可以依靠计算机的辅助，可以模拟理想环境下冷却水的流动情况，省去了现实生活中很多不必要的麻烦和难以预料的干扰，这样也可以得到相关的数据，具有说服力，省下的时间和精力还可以模拟更多情况下的流动情况，对于全面分析空压机冷却水套的设计非常有利。其次，与传统的试验方法相比，三维建模和仿真分析方法具有以下优点:

1）成本远低于实验研究，模型直观、操作方便。

2) 通过对模型的分析，从理论上指导实验工作的研究方向，为现实生产提供对照，减少实验的盲目性。

3) 对仿真得到的冷却水速度场和散热流场进行分析，便于对水套结构进行优化设计，找出最优方案。

1.2 国内外研究现状

赵生虎^[1] 主要采用CFD技术对空压机冷却水套进行模拟仿真，研究了空压机冷却水套的冷却性能，还利用到控制变量法来逐一找出影响空压机冷却水套性能的问题，并针对这些问题对其进行优化处理，达到既可以提升冷却性能又能够降低研发成本的目的。

汪志义，刘 捷^[2]首先设计出一个短水套，既采用了CFD技术，又生产出短水套的模型，将模拟仿真和现实实验相结合，两者的结果共同验证短水套在空压机上是否可以提升冷却性能，最后显示可以改善冷却水流动的平顺性。

徐玉梁、刘琳等人^[3]研究的是一种三缸机的冷却水套，采用的是CFD模拟仿真技术，主要针对冷却水套的压力损失和换热系数进行分析，提出两种结构优化方法，结果显示，改进后的冷却水套可以有效降低压力损失以及提高冷却水的流速分布均匀性，符合了对冷却水套使用性能的要求。

卢瑞军，王文坤等人^[4]CFD仿真分析的方法对两种水套进行了分析，模拟计算方法来分析两种水套的流动情况。并且对结构进行优化，改进了翅片的结构。

吴飞，李培杰等人^[5]模拟全车上下时空心压机的工作条件，建立了冷却水套的不稳定工作环境，并利用CFX流体分析软件对冷却水套在非定常工况下的流动传热条件进行了模拟分析。通过流-固耦合分析，得到了空压机气缸盖内热负荷的分布情况。

马京卫，纪雷等人^[6]基于CFD法，建立了冷却水套的流动模型，优化冷却水套结构的结果表明，对两方面的调整：调整垫圈上的水孔面积以及气道两侧的结构，可以让缸盖水套鼻梁区流速达到2.5 m/s以上，从而使缸体排气侧上部区域的水套流速达到0.2 m/s。

王帝，杜锴等人^[7通过计算流体力学（CFD）分析方法，根据工程标准的模拟结果，判断一台小型排气量欧洲6型增压柴油机冷却水盖的传热性能，即对流传热系数和冷却液流动性能，通过与实验数据进行对比，得出了通过框架试验的设计要求，两者的发展趋势一致，差异小，并对结果进行了分析。

唐刚志，张力等人^[8]通过仿真分析,认为分水孔对流场分布具有明显的影响,修改分水孔对流场分布作用很大。仿真结果表明:改进方案缸盖高温区流场分布比较均匀,冷却液也达到了对缸体的完全绕流冷却,高温区局部平均流速1.7 m/s,水套的平均流速大于0.5 m/s,总体的冷却水流速得到提高，流动的平顺性也得到改善。

Park, CB^[9]采用三维热等效网络法对永磁同步电动机的基本热性能进行了分析。然后，根据基本热性能分析结果，模拟仿真出水冷套的设基本尺寸和相关细节，并对水冷套进行了基本设计。最后，将水冷套的热等效电路连接到永磁同步电机的三维热等效网络上，对水冷套应用于永磁同步电机的情况进行了基本的热分析和有效性分析。未来，即使在铁路牵引电机的设计阶段，应用水冷套也有望快速、方便地预测永磁同步电动机内部的热变化趋势。

Yu Wang，Huiming He等人^[10]提出了在外冷却水盖上加入小孔接缝的方法。对两种冷却水套进行了水压试验。结果表明，新型冷却水套的应力和变形较低。实验结果与仿真结果一致。通过增加小孔嵌缝焊点，可以有效地减小冷却水套的应力和变形。

Jiaqiang E. , Zhiqing Zhang 等人^[11利用基于VOF的两相流模型，对冷却水流场固液界面的传热系数进行了模拟和仿真。用实验值进行比较和验证。结果表明，沸腾传热发生在涡轮侧附近的高温区域。为了更好地评估沸腾传热状态，平均空泡率为根据从墙壁到垂直高度4 mm的横截面提出。通过模拟可以得到临界平均空隙率。如果平均空隙率小于临界值平均空隙率，沸腾传热控制在核态沸腾状态。

Runhua Jiang, Frank G.F. Qin等人^[12]主要研究夹套冷却低品位余热的回收利用。来自内燃机的水（JCW），包括冷却、加热和动力（CCHP）系统。实验和模型研究表明空压机输出功率的增加导致JCW温度和LAD除湿能力，导致出口空气相对湿度较低。

1.3 软件介绍

计算流体力学可以通过计算机软件来进行操作。研究空压机的水套流和传热问题，是找到网格节点上水套流场控制方程的离散数值解是其中的主要方法。CFD模拟仿真技术与现实生活中的工作环境或者实验环境不太可能一样，模拟出的结果也不太可能百分百符合现实，但是这种技术可以在大体上与现实保持一致，总体不会出差错。此外，CFD技术还受制于计算机技术，但随着目前科技的快速发展，CFD技术限制也将进一步缩小，模拟的准确性也会大大提高。值得一提的是，CFD技术相较实验研究而言，无论是投入的资金，耗费的人力物力，还是花费的时间上，都有着得天独厚的优势。因此本文采用了CFD模拟仿真技术来研究空压机冷却水套的设计和温度分析是合理的选择，软件的运用对于CFD模拟仿真来说就是核心内容了。

本文利用三维建模软件CATIA设计出空压机冷却水套的几何模型，用CFD软件FLUENT对流场进行分析，在此对这两种主要的软件进行介绍。

CATIA是一家法国的公司达索公司开发的建模软件，可以在其中建立二维或者三维模型，目前广泛运用与工业生产的多个领域，市场前景极其广阔。CATIA这款软件主要围绕其3DEXPERIENCE平台来推动跨学科协作工程，涵盖的内容非常广泛，其中有表面和形状设计、机械工程和系统工程等等。

CATIA在形状设计，样式，曲面工作流程等领域可以提供可视化的操作平台，尤其在创建，修改和验证ICEM曲面技术的A级曲面的复杂创新形状上，应用十分广泛。无论是从头开始，抑或是从2D草图（蓝图）开始，CATIA都能支持丰富而且多方面的产品设计。它使组织架构能够使用基于统一性能的系统工程方法评估变更请求或开发新产品或系统变体。

FLUENT是计算流体力学最常用的几个软件之一，存在历史非常久远但是一直被广大研究者喜好。早在上个世纪70年代，FLUENT诞生于英国的谢菲尔德大学，但只是一个基本的框架，到了1983年美国流体技术服务公司正式推出了FLUENT这款软件，五年后FLUENT拥有了独立的公司，并一直致力于FLUENT软件的开发、升级和推广，直到本世纪初，FLUENT公司被另外一家知名的软件公司ANSYS所收购，因此现在人们在使用ANSYS软件包时，可以直接链接到FLUENT这款软件。

在FLUENT上绘制网格具有简单灵活的特点，可以相对容易的对复杂的流动或者复杂的几何体生成适用的网格，其中包含的网格类型覆盖全面，三角形、四边形、四面体、六面体等等类型的网格都可以轻松的生成。

FLUENT还具有强大的后处理和数据输出能力，可以根据需要生成图表、动图、甚至是动画，这些可以直观全面的反映数据，这也是FLUENT一直以来被人们喜爱的原因之一。

1.4本文选题介绍

一直以来，空压机的冷却系统都是制约空压机的一大因素，而冷却水套作为冷却系统最重要的部分都说人们关注的重点。从上个世纪开始，人们对冷却水套的研究一直没有止步，以前人们大多采用空压机试验来进行研究，国内外积累了大量的数据和经验，这对于当前的研究和发展具有很强的借鉴意义。

近二十年来，计算机技术呈现了飞跃式发展，因此研究者目前大多会采用CFD技术来进行仿真分析或者利用仿真分析跟试验分析相结合，为试验结果提供参考和对照，这样做的好处在于降低了研究的门槛，为研究者提供一个理想的工具进行研究。因此本文也采用了CFD仿真分析对空压机冷却水套进行研究。

空压机冷却水套的结构直接影响到冷却水的流动，而且结构本身也会承载一部分负荷和应力，对其进行研究并做出结构的优化可以改善温度场的分布，从而减低热应力的作用，还可以改善冷却水的流动状况，更高效的将机体产生的热量带走。因此空压机冷却水套的结构设计是本文研究的一大重点。

由于冷却水套承载的是周期性的热负荷，热应力必然会对水套和机体产生作用。合理的温度场分布可以降低循环往复的热应力产生的破坏，不仅可以提高空压机的工作效率，还可以大大提高空压机的使用寿命，对空压机冷却水套温度的分析是极具意义的。

第2章 空压机冷却水套的设计

在使用冷却水降温的空气压缩机中，合理的冷却水覆盖结构和布局是空气压缩机冷却的关键。第二章对空气压缩机冷却水盖进行了三维模型设计。包括使CATIA软件设计三维几何模型和使用ANSYS软件进行三维网格划分。两种三维模型的建立为下一章的流体分析做好铺垫。

2. 1 空压机常用冷却方式介绍

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