作者：Samir Rida

編輯整理：姚翔（Ansys中國(guó)流體產(chǎn)品線高級(jí)應(yīng)用工程師）

無(wú)論是開發(fā)風(fēng)扇、泵機(jī)、壓縮機(jī)還是渦輪機(jī)，Ansys仿真軟件都能幫助您快速進(jìn)行迭代并改進(jìn)設(shè)計(jì)。在制造和測(cè)試之前，仿真可提供關(guān)鍵指標(biāo)的評(píng)估。這是一種可靠的方法，能夠在降低研發(fā)成本的同時(shí)提高效率，從而加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。

Ansys仿真軟件已在多個(gè)行業(yè)和應(yīng)用中得到廣泛驗(yàn)證。這些仿真工具可提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，大幅減少制造成本和測(cè)試時(shí)間。此外，Ansys仿真軟件在開發(fā)時(shí)重視采用簡(jiǎn)化、直觀的工作流程，讓工程師有更多時(shí)間專注于關(guān)鍵設(shè)計(jì)決策。實(shí)際上Ansys旗艦產(chǎn)品與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和葉片設(shè)計(jì)工具無(wú)關(guān)，這為設(shè)計(jì)師使用Ansys合作伙伴提供的任何葉片設(shè)計(jì)工具提供了極大的靈活性。

當(dāng)我們研究整個(gè)渦輪機(jī)解決方案時(shí)，仿真功能包括流體、熱機(jī)械、結(jié)構(gòu)以及利用Ansys旗艦產(chǎn)品的多物理場(chǎng)解決方案，例如Ansys Fluent、Ansys CFX、Ansys Mechanical、Ansys FENSAP-ICE和Ansys LS-DYNA等。在開始仿真和分析這些多物理場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，需要確保求解器之間準(zhǔn)確高效的數(shù)據(jù)傳輸。我們的平臺(tái)允許所有Ansys求解器準(zhǔn)確高效地傳輸和映射數(shù)據(jù)，從而為空氣力學(xué)、流固耦合、共軛熱交換建模、外物損壞評(píng)估和葉片脫落（破裂）分析提供最可靠、最精準(zhǔn)的多物理場(chǎng)仿真。

在燃?xì)廨啓C(jī)和渦輪機(jī)械的設(shè)計(jì)中，Ansys可提供有組織的空氣力學(xué)解決方案，運(yùn)用CFX、Fluent和Mechanical預(yù)測(cè)葉片顫振、受迫響應(yīng)、振動(dòng)-聲學(xué)和葉片頻率失調(diào)。流體與結(jié)構(gòu)之間的耦合采用循環(huán)對(duì)稱模型和模態(tài)疊加實(shí)現(xiàn)，這有利于大幅加快仿真速度。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和有限元分析（FEA）之間采用簡(jiǎn)化的空氣力學(xué)工作流程并具備熱冷映射功能，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ｗ⒂诜乐箼C(jī)器共振和避免非同步高周期疲勞的最佳方法，以縮短設(shè)計(jì)周期時(shí)間，并提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。

要想提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，渦輪進(jìn)氣口的溫度要高于材料的熔點(diǎn)。在空氣動(dòng)力學(xué)、熱交換、應(yīng)力和材料之間進(jìn)行權(quán)衡，對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)并避免由熱機(jī)械疲勞、應(yīng)力斷裂或氧化造成的失效至關(guān)重要。為了驗(yàn)證材料和熱障涂層的完整性并評(píng)估熱部件組件的耐用性，設(shè)計(jì)師利用Ansys工具開展穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)共軛傳熱（CHT）仿真。Ansys Fluent和Ansys CFX在一個(gè)并行的用戶友好型網(wǎng)格劃分平臺(tái)上提供快速的求解方法，使CHT分析能夠?qū)嶋H應(yīng)用到任何生產(chǎn)環(huán)境中。因此，對(duì)具有內(nèi)流道的轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片的共軛傳熱進(jìn)行仿真已成為一種常規(guī)方法。設(shè)計(jì)師還能在概念和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用氣膜冷卻模型方法，無(wú)縫映射冷卻流的1D網(wǎng)絡(luò)。

Ansys多物理場(chǎng)產(chǎn)品組合中的一個(gè)強(qiáng)大解決方案是，能夠預(yù)測(cè)和防止因外物損壞或葉片脫落導(dǎo)致的引擎故障情況。  借助LS-DYNA，設(shè)計(jì)師能夠根據(jù)法規(guī)要求預(yù)測(cè)鳥撞和葉片脫落損傷及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。使用 Ansys顯式動(dòng)力學(xué)解決方案可以對(duì)風(fēng)扇葉片脫落和飛鳥吸入事件進(jìn)行建模。具體包含運(yùn)用多種分析方法（拉格朗日有限元、任意拉格朗日歐拉、光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)）實(shí)現(xiàn)的多物理場(chǎng)仿真。LS-DYNA還支持渦輪葉片脫落和渦輪盤包容結(jié)構(gòu)仿真。這些解決方案支持公認(rèn)的葉片脫落和鳥撞認(rèn)證要求。

為了實(shí)現(xiàn)能在廣泛的工作條件下滿足性能與合規(guī)要求的設(shè)計(jì)，Ansys提供了獨(dú)特的功能以解決最前沿的物理問(wèn)題。Ansys為設(shè)計(jì)師提供了能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)雜物理現(xiàn)象的工具，例如泵氣蝕、風(fēng)扇/壓氣機(jī)結(jié)冰、燃燒室-渦輪相互作用和風(fēng)扇噪聲背后的聲學(xué)問(wèn)題等。

采用Ansys FENSAP-ICE的結(jié)冰解決方案可以預(yù)測(cè)靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)組件上的長(zhǎng)時(shí)間結(jié)冰和冰塊脫落問(wèn)題。FENSAP-ICE能夠幫助您在渦輪機(jī)械應(yīng)用的簡(jiǎn)化工作流程中評(píng)估由于冰塊脫落而造成的失衡和可能的損壞。該解決方案可支持公認(rèn)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰認(rèn)證要求（標(biāo)準(zhǔn)液滴、大尺寸過(guò)冷液滴和高空冰晶）。

了解氣蝕開始發(fā)生所對(duì)應(yīng)的泵機(jī)工作范圍至關(guān)重要。CFX和Fluent中的高精度氣蝕模型（例如Rayleigh-Plesset）與高級(jí)多相流和湍流模型相結(jié)合，有助于渦輪機(jī)械制造商準(zhǔn)確預(yù)測(cè)泵機(jī)的極限工況，超過(guò)該極限就會(huì)發(fā)生氣蝕并變得嚴(yán)重。

在設(shè)計(jì)具有優(yōu)化冷卻模式的長(zhǎng)壽命燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子葉片與靜子葉片時(shí)，Ansys能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)通過(guò)高壓渦輪（HPT）級(jí)的熱斑遷移。設(shè)計(jì)師可以對(duì)燃燒室和HPT的聯(lián)合和/或協(xié)同仿真進(jìn)行建模。使用高精度尺度求解湍流模型對(duì)具有共軛傳熱的燃燒室-渦輪葉片進(jìn)行單次建模，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的熱斑跟蹤。  這有助于對(duì)轉(zhuǎn)子葉片與靜子葉片開展準(zhǔn)確的熱管理，并顯著提高渦輪機(jī)的耐用性。

從快速簡(jiǎn)單的寬帶噪聲源建模到使用高級(jí)尺度求解湍流模型的最綜合全面的計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)（CAA），Ansys CFX和Fluent求解器可提供多種氣動(dòng)聲學(xué)功能。

Ansys仿真在設(shè)計(jì)流程中無(wú)處不在，而且目前，Ansys仿真已擴(kuò)展到制造、運(yùn)營(yíng)以及維護(hù)、維修與大修（MRO），從而使仿真在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中普及，并反饋到設(shè)計(jì)流程中。利用增材制造有助于突破常規(guī)設(shè)計(jì)的極限，并為可制造性的設(shè)計(jì)解鎖無(wú)限可能。

此外，通過(guò)構(gòu)建降階模型（ROM）來(lái)創(chuàng)建數(shù)字孿生，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，并幫助提升渦輪機(jī)械的性能與可靠性。利用相同的信息可以構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)算法，并使用人工智能將知識(shí)和專業(yè)技術(shù)融入設(shè)計(jì)流程。Ansys在這個(gè)連續(xù)環(huán)路中提供了前沿工具，使設(shè)計(jì)工程師能夠獲得寶貴的數(shù)據(jù)和專業(yè)技術(shù)，從而可以及時(shí)做出明智的決策，以提高渦輪機(jī)的壽命、效率、總體系統(tǒng)性能和可靠性。

渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)師不斷面臨的挑戰(zhàn)是，確定影響最大的設(shè)計(jì)變量，并構(gòu)建符合所有物理要求的可靠設(shè)計(jì)，同時(shí)最大限度減少缺陷數(shù)量和制造約束。Ansys optiSLang通過(guò)采用敏感度分析、優(yōu)化和魯棒性評(píng)估的高性能算法，提供了實(shí)現(xiàn)可靠設(shè)計(jì)的能力。它能自動(dòng)識(shí)別采用設(shè)計(jì)變量表示性能變化的最佳元模型。該功能是在流程集成、鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)流自動(dòng)化、設(shè)計(jì)空間探索和不確定性量化無(wú)處不在的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的。下面的原理圖展示的是離心式壓縮機(jī)的流程集成和設(shè)計(jì)優(yōu)化工作流程，顯著提高了工程生產(chǎn)力和機(jī)器性能，同時(shí)將設(shè)計(jì)周期時(shí)間從一年多縮短至幾周。

渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)師需要根據(jù)材料及其屬性做出大量決策。Ansys Granta提供了一種在整個(gè)企業(yè)范圍內(nèi)選擇、共享和管理材料數(shù)據(jù)的有效方法。它可以描述復(fù)雜的材料屬性，索引所有測(cè)試數(shù)據(jù)，并在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)為所有工程師和分析師提供統(tǒng)一安全的認(rèn)證材料信息源。Ansys Granta還能管理材料清單（BOM）中的合法物質(zhì)。

Ansys Additive的綜合解決方案涵蓋整個(gè)工作流程，從增材制造設(shè)計(jì)（DfAM）到驗(yàn)證、打印設(shè)計(jì)、工藝仿真和材料探索。DfAM包括拓?fù)鋬?yōu)化，能實(shí)現(xiàn)超大型零件的輕量化。這些輕量化零件可根據(jù)它們將遇到的現(xiàn)實(shí)條件進(jìn)行虛擬測(cè)試，以評(píng)估其結(jié)構(gòu)完整性。Ansys Additive Print可幫助構(gòu)建基于物理的或基于幾何結(jié)構(gòu)的支撐。增材流程仿真能夠預(yù)測(cè)零件形狀、變形和應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)首次即可打印出正確零件。

渦輪機(jī)械的維護(hù)、維修和大修（MRO）費(fèi)用非常高，并且在許多情況下，遠(yuǎn)高于原始機(jī)器的購(gòu)買價(jià)格。因此，如果能夠預(yù)測(cè)需要維護(hù)的時(shí)間，將給OEM廠商及其客戶帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)。Ansys可提供一系列能有效開展預(yù)測(cè)性維護(hù)的ROM功能。下圖突出顯示了Lufthansa Technik如何使用飛行數(shù)據(jù)和仿真構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)ROM，從而預(yù)測(cè)關(guān)鍵燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)組件的故障。本案例中的仿真工作流程包括使用CFX和Mechanical進(jìn)行氣動(dòng)熱分析。Ansys optiSLang中的結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)（SoS）技術(shù)可用于對(duì)選擇性飛行數(shù)據(jù)開展敏感度研究，以構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)元模型。這些現(xiàn)場(chǎng)ROM可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變，幫助評(píng)估關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)組件的剩余壽命。