Flow patterns and valve dynamics in multi-valve recprocating compressors

Abstract

Die Strömungsmuster von Druck- und Geschwindigkeitsfeld des Arbeitsmediums von Mehrventil-Kolbenkompressoren werden in der vorgelegten Arbeit für die unterschiedlichen Phasen des Arbeitsprozesses diskutiert. Das Geschwindigkeitsfeld an den Kompressorwänden kann z.B. für die Berechnung eines zeitlich und örtlich veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten im Zuge einer Grenzschichtberechnung herangezogen werden. Für die selbsttätig öffnenden und schließenden Saug- und Druckventile werden in dieser Arbeit ausschließlich Plattenventile berücksichtigt. Die Dynamik des Hubs der Ventilplatten hat entscheidenden Einfluss auf die Massenströme über die Ventile, und somit auf die Strömung im Arbeitsraum des Kompressors. Die Bewegung eines Festkörpers beeinflusst somit den Fluidstrom. Die durch den Gasdruck auf die Ventilplatten wirkende Kraft wird in der Bewegungsgleichung eines Masse-Feder-Modells mitberücksichtigt. Es liegt also eine einfache Form einer Festkörper-Struktur-Interaktion (FSI) vor. Für die näherungsweise Lösung des Strömungsfeldes wird ein selbstentwickelter Code in der Programmier-Sprache C für die zeitabhängigen drei-dimensionalen Euler-Gleichungen verwendet. Dabei werden für das Arbeitsmedium ideales Gas die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und totale innere Energie unter Vernachlässigung von Fluid-Viskosität und Wärmeströmen numerisch gelöst. Um die zeitliche Veränderung der Größen zu berechnen, wird die Finite-Volume-Methode mit einer erster Ordnung genauen Zeitintegration verwendet, wobei die numerischen Flüsse an den Zellrändern mittels eines approximativen Riemannlösers nach Roe gebildet werden. Dieses Verfahren ist in der Lage, sowohl Unterschall- wie auch Überschallströmungen handhaben zu können. Die größte Herausforderung bei der Strömungsberechnung stellt dabei das durch den Kolben verursachte zeitlich veränderliche Rechengitter in Kombination mit den geometrisch schwierigen Verbindungen zwischen Zylinderraum und Ventilen, den Ventiltaschen, dar. Während wegen der Gitterbewegung für den Zylinderraum ein strukturiertes Gitter aus Hexaedern verwendet wird, kommt für die Ventiltaschen ein unstrukturiertes Tetraedergitter zur Anwendung, welches teilweise durch den sich vorbeibewegenden Kolben abgedeckt werden kann. Für die Verbindung der Rechengitter im Zylinderraum und der Ventiltaschengitter wurde eine sogenannte Interface-Routine mit ebenfalls konservativen Eigenschaften entwickelt. Somit garantiert das verwendete Verfahren etwa bei geschlossenen Ventilen die Konstanz der enthaltenen Gesamtmasse in Zylinder und Ventiltaschen.

The patterns of the pressure and the flow velocity fields of the working fluid are discussed within this work for the different phases in the working process of multi-valve reciprocating compressors. The flow velocity field near the compressor walls can be used e.g. for the computation of a time and space dependent convective heat transfer coefficient in the context of a boundary layer description. For the automatically opening and closing suction and discharge valves only plate valves are considered. The dynamics of the plate lift has an important influence on the mass flows crossing the valves, and as a consequence on the flow inside the compressor's working chamber. Hence, the motion of a solid body affects the fluid flow. On the other hand, the gas pressure force acting on the valve plates is considered in the equation of motion based on a mass-spring-model. Therefore, we have a simple form of a fluid-structure-interaction (FSI). For finding the approximate solution of the flow field, a self-developed code in the programming language C is used for the time-dependent three-dimensional Euler-equations. Assuming ideal gas as the working medium, the conservation equations for mass, momentum and total inner energy are solved numerically neglecting the fluid viscosity and the heat flows. In order to solve the time-change of the quantities, the finite-volume-method based on a first-order accurate time-integration scheme is used, where the numerical fluxes at cell boundaries are computed with the approximate Riemann-solver of Roe. With this method, it is possible to handle subsonic and supersonic flows, as well. A challenge in the computation of the flow is the moving computation-mesh caused by the piston, and the geometrically difficult zone connecting the cylinder and the valves, the so-called valve-pockets. Because of this motion, a structured hexahedral mesh is used for the cylinder while for the valve pockets a tetrahedral mesh is considered, that can partially be covered by the piston. Cylinder mesh and valve pocket meshes are finally connected by an interface routine that fulfills the requirements of conservation. Hence, it is guaranteed in the case of closed valves, the total mass contained inside the cylinder and the valve pockets remains constant.