作者：Philipp Epple、Caslav Ilic

翻譯：上海安世亞太

 

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Ansys CFX是渦輪機(jī)械性能研究的組成部分，主要研究徑向風(fēng)扇設(shè)計(jì)。

流體力學(xué)研究所（Lehrstuhl für str?mungsmechanik,LSTM）成立了研究小組專注于渦輪機(jī)領(lǐng)域的研究和開發(fā)工作。這項(xiàng)工作包括基于綜合分析設(shè)計(jì)考慮的葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)值性能研究、快速原型制作、原型葉輪和擴(kuò)散器以及完整風(fēng)扇的實(shí)驗(yàn)研究。在徑向壓縮機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究和開發(fā)，重點(diǎn)是用于真空吸塵器應(yīng)用的徑向風(fēng)扇。Ansys CFX 10.0計(jì)算流體力學(xué)軟件是設(shè)計(jì)過程中不可缺少的一部分。

CAD模型

通過離心式渦輪機(jī)的流動，在旋轉(zhuǎn)葉輪的能量傳遞到氣流的區(qū)域內(nèi)主要是徑向的。對于軸流風(fēng)機(jī)來說，旋轉(zhuǎn)的葉輪在能量傳遞發(fā)生的區(qū)域內(nèi)以軸向的方式通過。軸向鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行也正在LSTM-Erlangen進(jìn)行。

離心風(fēng)機(jī)在許多方面與離心泵和離心壓縮機(jī)相似。這兩種機(jī)器的主要區(qū)別是泵推動的液體實(shí)際上是不可壓縮的，而壓縮機(jī)處理氣體的條件是流動流體的密度發(fā)生明顯變化。通常，風(fēng)扇是處理低于1.1的壓縮比的設(shè)備，而鼓風(fēng)機(jī)在1.1和4之間工作，而壓縮機(jī)在4的壓縮比以上工作。

在開發(fā)過程的第一步，LSTM-Erlangen的小組對現(xiàn)有的風(fēng)扇進(jìn)行性能研究，稍后將重新設(shè)計(jì)，達(dá)到更高的效率。這些性能研究是利用實(shí)際幾何形狀的CAD數(shù)據(jù)作為網(wǎng)格生成的基礎(chǔ)進(jìn)行的。Ansys ICEM CFD軟件為復(fù)雜幾何形狀的快速網(wǎng)格生成提供了極好的工具。Ansys CFX提供了執(zhí)行以下計(jì)算所需的所有多個(gè)參考框架工具：利用Ansys CFX軟件，易于對真空吸塵器徑向風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能研究。用Ansys CFX進(jìn)行CFD模擬，可以將來自試驗(yàn)臺的流動通過葉輪和擴(kuò)散器進(jìn)入導(dǎo)葉，通過電機(jī)，再進(jìn)入其后面的空間。從計(jì)算結(jié)果中可以得到非常詳細(xì)的信息， 這些信息可以用來與實(shí)驗(yàn)研究中得到的相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較。在LSTM-Erlangen有一個(gè)完整的試驗(yàn)臺，以便對徑向鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。

真空吸塵器風(fēng)扇的詳細(xì)模擬圖：包括葉輪、擴(kuò)散器、排絲葉片和電機(jī)

LSTM-Erlangen專門從事真空吸塵器中使用的壓縮機(jī)，具有非常高的轉(zhuǎn)速，通常從30,000轉(zhuǎn)/分到50,000轉(zhuǎn)/分。

在對實(shí)際風(fēng)機(jī)進(jìn)行測量和仿真后，確定改進(jìn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。這些目標(biāo)一般包括在相同的壓力和流量下實(shí)現(xiàn)更好的效率。以一個(gè)完整的新設(shè)計(jì)為目標(biāo)時(shí)，進(jìn)行全系統(tǒng)逆平均線設(shè)計(jì)，將葉輪、擴(kuò)壓器和脫螺旋葉片視為一個(gè)單元，而非單獨(dú)的。此外，還考慮了風(fēng)扇將在其中運(yùn)行的系統(tǒng)，這樣風(fēng)扇將與吸塵器的運(yùn)行條件完美匹配。利用Ansys CFX對ITER風(fēng)機(jī)進(jìn)行CFD模擬計(jì)算,通過反向全系統(tǒng)平均線設(shè)計(jì),使ITER風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)達(dá)到規(guī)范要求成為可能。通過這種方式，LSTM-Erlangen公司有可能將真空吸塵器風(fēng)扇的效率提高10%以上。Ansys CFX的一個(gè)有價(jià)值的特性是power語法，它允許使用內(nèi)聯(lián)Perl命令編寫后處理腳本。我們用這種方法獲得了驗(yàn)證所需的機(jī)器內(nèi)部流動的精確信息，并改進(jìn)了逆全系統(tǒng)平均線設(shè)計(jì)。

ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格生成

最后，通過仔細(xì)詳細(xì)的Ansys CFX模擬驗(yàn)證和改進(jìn)了設(shè)計(jì)，幾乎沒有構(gòu)建昂貴原型的風(fēng)險(xiǎn)。

然后在LSTM-Erlangen的試驗(yàn)臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并將研究結(jié)果與改進(jìn)后的風(fēng)機(jī)規(guī)格和CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。詳細(xì)的全系統(tǒng)仿真結(jié)果與試驗(yàn)臺上的測量結(jié)果吻合得很好。

LSTM試驗(yàn)臺測量與ANSYS CFX仿真的比較

如果需要進(jìn)一步開發(fā)，則進(jìn)行修改。經(jīng)過周密的設(shè)計(jì)和Ansys CFX的CFD驗(yàn)證和改進(jìn)，很少需要進(jìn)行額外的修改。