作者：Samir Rida

編輯整理：姚翔（Ansys中國流體產品線高級應用工程師）

無論是開發風扇、泵機、壓縮機還是渦輪機，Ansys仿真軟件都能幫助您快速進行迭代并改進設計。在制造和測試之前，仿真可提供關鍵指標的評估。這是一種可靠的方法，能夠在降低研發成本的同時提高效率，從而加快產品上市進程。

Ansys仿真軟件已在多個行業和應用中得到廣泛驗證。這些仿真工具可提供準確可靠的數據，大幅減少制造成本和測試時間。此外，Ansys仿真軟件在開發時重視采用簡化、直觀的工作流程，讓工程師有更多時間專注于關鍵設計決策。實際上Ansys旗艦產品與計算機輔助設計（CAD）和葉片設計工具無關，這為設計師使用Ansys合作伙伴提供的任何葉片設計工具提供了極大的靈活性。

當我們研究整個渦輪機解決方案時，仿真功能包括流體、熱機械、結構以及利用Ansys旗艦產品的多物理場解決方案，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應用時，需要確保求解器之間準確高效的數據傳輸。我們的平臺允許所有Ansys求解器準確高效地傳輸和映射數據，從而為空氣力學、流固耦合、共軛熱交換建模、外物損壞評估和葉片脫落（破裂）分析提供最可靠、最精準的多物理場仿真。

在燃氣輪機和渦輪機械的設計中，Ansys可提供有組織的空氣力學解決方案，運用CFX、Fluent和Mechanical預測葉片顫振、受迫響應、振動-聲學和葉片頻率失調。流體與結構之間的耦合采用循環對稱模型和模態疊加實現，這有利于大幅加快仿真速度。計算流體動力學（CFD）和有限元分析（FEA）之間采用簡化的空氣力學工作流程并具備熱冷映射功能，使設計人員能夠專注于防止機器共振和避免非同步高周期疲勞的最佳方法，以縮短設計周期時間，并提高設計人員的工作效率。

要想提高發動機效率，渦輪進氣口的溫度要高于材料的熔點。在空氣動力學、熱交換、應力和材料之間進行權衡，對于優化設計并避免由熱機械疲勞、應力斷裂或氧化造成的失效至關重要。為了驗證材料和熱障涂層的完整性并評估熱部件組件的耐用性，設計師利用Ansys工具開展穩態和瞬態共軛傳熱（CHT）仿真。Ansys Fluent和Ansys CFX在一個并行的用戶友好型網格劃分平臺上提供快速的求解方法，使CHT分析能夠實際應用到任何生產環境中。因此，對具有內流道的轉子葉片和靜子葉片的共軛傳熱進行仿真已成為一種常規方法。設計師還能在概念和詳細設計階段應用氣膜冷卻模型方法，無縫映射冷卻流的1D網絡。

Ansys多物理場產品組合中的一個強大解決方案是，能夠預測和防止因外物損壞或葉片脫落導致的引擎故障情況。   借助LS-DYNA，設計師能夠根據法規要求預測鳥撞和葉片脫落損傷及其對發動機性能的影響。 使用Ansys顯式動力學解決方案可以對風扇葉片脫落和飛鳥吸入事件進行建模。 具體包含運用多種分析方法（拉格朗日有限元、任意拉格朗日歐拉、光滑粒子流體動力學）實現的多物理場仿真。 LS-DYNA還支持渦輪葉片脫落和渦輪盤包容結構仿真。 這些解決方案支持公認的葉片脫落和鳥撞認證要求。

為了實現能在廣泛的工作條件下滿足性能與合規要求的設計，Ansys提供了獨特的功能以解決最前沿的物理問題。Ansys為設計師提供了能夠準確預測復雜物理現象的工具，例如泵氣蝕、風扇/壓氣機結冰、燃燒室-渦輪相互作用和風扇噪聲背后的聲學問題等。

采用Ansys FENSAP-ICE的結冰解決方案可以預測靜態和旋轉組件上的長時間結冰和冰塊脫落問題。FENSAP-ICE能夠幫助您在渦輪機械應用的簡化工作流程中評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的飛機發動機結冰認證要求（標準液滴、大尺寸過冷液滴和高空冰晶）。

了解氣蝕開始發生所對應的泵機工作范圍至關重要。CFX和Fluent中的高精度氣蝕模型（例如Rayleigh-Plesset）與高級多相流和湍流模型相結合，有助于渦輪機械制造商準確預測泵機的極限工況，超過該極限就會發生氣蝕并變得嚴重。

在設計具有優化冷卻模式的長壽命燃氣輪機轉子葉片與靜子葉片時，Ansys能夠準確預測通過高壓渦輪（HPT）級的熱斑遷移。設計師可以對燃燒室和HPT的聯合和/或協同仿真進行建模。使用高精度尺度求解湍流模型對具有共軛傳熱的燃燒室-渦輪葉片進行單次建模，以實現準確的熱斑跟蹤。  這有助于對轉子葉片與靜子葉片開展準確的熱管理，并顯著提高渦輪機的耐用性。

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

Ansys仿真在設計流程中無處不在，而且目前，Ansys仿真已擴展到制造、運營以及維護、維修與大修（MRO），從而使仿真在整個產品生命周期中普及，并反饋到設計流程中。利用增材制造有助于突破常規設計的極限，并為可制造性的設計解鎖無限可能。

此外，通過構建降階模型（ROM）來創建數字孿生，可以實現預測性維護，并幫助提升渦輪機械的性能與可靠性。利用相同的信息可以構建機器學習算法，并使用人工智能將知識和專業技術融入設計流程。Ansys在這個連續環路中提供了前沿工具，使設計工程師能夠獲得寶貴的數據和專業技術，從而可以及時做出明智的決策，以提高渦輪機的壽命、效率、總體系統性能和可靠性。

渦輪機械設計師不斷面臨的挑戰是，確定影響最大的設計變量，并構建符合所有物理要求的可靠設計，同時最大限度減少缺陷數量和制造約束。Ansys optiSLang通過采用敏感度分析、優化和魯棒性評估的高性能算法，提供了實現可靠設計的能力。它能自動識別采用設計變量表示性能變化的最佳元模型。該功能是在流程集成、鏈式數據流自動化、設計空間探索和不確定性量化無處不在的環境中實現的。下面的原理圖展示的是離心式壓縮機的流程集成和設計優化工作流程，顯著提高了工程生產力和機器性能，同時將設計周期時間從一年多縮短至幾周。

渦輪機械設計師需要根據材料及其屬性做出大量決策。Ansys Granta提供了一種在整個企業范圍內選擇、共享和管理材料數據的有效方法。它可以描述復雜的材料屬性，索引所有測試數據，并在整個產品生命周期內為所有工程師和分析師提供統一安全的認證材料信息源。Ansys Granta還能管理材料清單（BOM）中的合法物質。

Ansys Additive的綜合解決方案涵蓋整個工作流程，從增材制造設計（DfAM）到驗證、打印設計、工藝仿真和材料探索。DfAM包括拓撲優化，能實現超大型零件的輕量化。這些輕量化零件可根據它們將遇到的現實條件進行虛擬測試，以評估其結構完整性。Ansys Additive Print可幫助構建基于物理的或基于幾何結構的支撐。增材流程仿真能夠預測零件形狀、變形和應力，實現首次即可打印出正確零件。

渦輪機械的維護、維修和大修（MRO）費用非常高，并且在許多情況下，遠高于原始機器的購買價格。因此，如果能夠預測需要維護的時間，將給OEM廠商及其客戶帶來顯著優勢。Ansys可提供一系列能有效開展預測性維護的ROM功能。下圖突出顯示了Lufthansa Technik如何使用飛行數據和仿真構建現場ROM，從而預測關鍵燃氣輪機發動機組件的故障。本案例中的仿真工作流程包括使用CFX和Mechanical進行氣動熱分析。Ansys optiSLang中的結構統計（SoS）技術可用于對選擇性飛行數據開展敏感度研究，以構建現場元模型。這些現場ROM可實時準確預測溫度、應力和應變，幫助評估關鍵發動機組件的剩余壽命。