周朦佳

上海安世亞太

容積式壓縮機作為一種通用流體機械得到廣泛應用，相對于速度式壓縮機具有適應性強、壓力比高和熱效率高等優點。常見的容積式壓縮機如往復式、螺桿式、渦旋式及轉子式等，隨著氣腔容積的由小到大再變小，發生周期性的變化，完成吸氣、壓縮和排氣過程。

隨著數值計算技術的飛速發展，仿真技術在工業領域的應用逐漸深入，越來越多的企業開始嘗試運用仿真的手段解決其工業產品的性能等關鍵問題，以減少試驗次數，降低樣件試制成本，提高產品穩定性與可靠性來進一步提升市場競爭力。那么如何運用合適的CAE軟件進行高效的仿真顯得尤為重要。

ANSYS Forte 結合了CHEMKIN-PRO求解器技術的內燃機CFD仿真工具包，含有多組分燃燒模型并結合復雜的噴霧動力學，可以在短時間內完成詳細化學的計算，能夠對幾乎任意燃料的內燃機進行穩健并精確的計算，同時在新版本中推出了針對于容積式壓縮機的分析方法，本文主要圍繞新功能而展開，讓大家能夠更直觀地了解Forte在模擬壓縮機運行過程中的一些較為突出的功能優勢。

CFD難點分析

容積式壓縮機結構復雜，其空腔容積會周期性的變化，流體的可壓縮高。動靜壁面間存在狹小的間隙（一般都是幾十個微米的大小，甚至更小），影響泄露；且出口排氣流動復雜，會影響壓縮機的流動、氣液分離、振動與噪聲等性能。因此在對這類旋轉機械的網格處理上必然會遇到挑戰，網格的數量、質量、動網格的應用都直接影響到計算結果的精度和準確性。

容積式壓縮機內部涉及到可壓縮的高流速動與多相流，由于相間作用復雜、界面捕捉困難、氣液比高等問題，通過仿真解決壓縮機內部的多相流問題存在較大困難，另外壓縮機運行過程中存在的共軛傳熱、流固耦合等問題，均對CFD求解器在求解設置和收斂性上有較高要求。

壓縮機的運行是一個動態過程，因此在模擬時多采用非穩態的仿真計算，但由于較小的時間步長和比較大的求解區域，會導致計算時間長、計算量大等問題；同時想要得到動態的溫度和壓力分布，后處理也會較為復雜。

ANSYS Forte在容積式壓縮機仿真中的優勢

傳統的ANSYS CFX 或 ANSYS Fluent對容積式壓縮機的仿真均采用動網格來處理，即在每一個時間步長下網格的節點位置更新一次。ANSYS Forte在求解時采用3D瞬態可壓縮的流動，網格自動生成且不需要提前生成網格，可用于計算往復式活塞壓縮機、螺桿式壓縮機和渦旋式壓縮機等多種壓縮機形式。

在仿真過程當中，Forte可以自動檢測面與面之間小的間隙并進行網格加密處理，同時采用經驗間隙模型（Empirical gap model）來補償間隙中分辨率差的網格。當研究間隙大小對壓縮機的性能影響時，我們不需重新建立不同間隙大小的幾何模型，來對比不同尺寸下的間隙流動特征，而直接通過基于泊肅葉流動剪切應力的經驗間隙模型來得到間隙內的流動特征，從而解決了間隙網格質量差帶來的問題，同時不影響計算速度以及精度。

ANSYS Forte推薦采用Ensight對計算結果進行后處理，瞬態計算過程中，計算結果可直接立刻動態傳輸給Ensight進行分析，從而得到詳細的溫度以及壓力場信息等，同時還可以查看任意位置的網格特征。

Forte的其他主要功能還有：

• 流固耦合和共軛傳熱分析功能；

• 支持旋轉運動、行星運動以及軌道運動等多種運動模式；

• 真實氣體分析；

• 監測和輸出功能；

• 單相分析（2022新增多相分析功能）

• 強大的并行運行特性

實體案例：倫敦城市大學關于螺桿壓縮機仿真的基準化研究熱仿真技術

螺桿壓縮機齒數比為3:5，工作介質為空氣，進口邊界條件P=1bar，T=300K，出口的邊界條件P=2bar，T=400K，陽轉子的轉速：6000、7000、8000RPM，整體網格尺寸4mm，間隙加密網格尺寸1mm，總的網格數量50萬。

從下圖可以看出，當陽轉子的轉速為6000RPM,7000RPM和 8000RPM時，Forte仿真得到進口的質量流量與實驗進口流量均隨著時間變化數據吻合良好，進一步驗證了Forte軟件對于壓縮機問題仿真的可靠性。

從下圖可以看出，壓縮機在吸氣口，中部，排氣口不同位置的壓力變化。吸氣口的壓力最低，中間位置隨著吸氣過程的進行，壓力逐漸增大，排氣以后壓力變小，以此規律周期性變化，仿真得到的排氣口的壓力變化趨勢和實驗得到的規律基本一致，再次證明了軟件應用的可行性。

第二部分內容通過改變間隙網格的尺寸和時間步長的大小，研究Forte仿真結果對于這兩個參數的敏感性。從下圖可以看出，原始間隙網格尺寸為1mm，時間步長2.5 μs；當間隙網格尺寸改為0.5mm，質量流量和壓力分布均沒有明顯變化；當時間步長改為1.25 μs，質量流量和壓力分布同樣沒有明顯變化。因此可得出仿真結果對間隙網格尺寸和時間步長的大小的變化并不靈敏。

當Forte解決壓縮機更小的間隙尺寸問題時，我們不需要重新建立幾何模型，而是通過間隙尺寸比例因子（gap-size scaling factor）來減小間隙的大小，同時增加流動的阻力。這里選擇更改兩組間隙尺寸比例因子進行對比測試，原始的幾何間隙尺寸為140μm，第一組測試：間隙尺寸比例因子為0.25，則間隙尺寸為35μm；第二組測試：間隙尺寸比例因子為0.125，則間隙尺寸為17.5μm。計算結果表明，當間隙尺寸為17.5μm時，經過間隙的流動幾乎處于堵塞狀態，但計算結果和間隙為35μm時基本沒有差別，且間隙尺寸減小后，CPU計算的時間也基本保持不變。

從下圖可以看出，在間隙處間隙阻力因子更小，對應該間隙處具有更小的流動速度以及更大的阻力，且從速度云圖上可以看出，間隙處并沒有較大的流速存在，說明間隙處并不存在流體泄露等問題。

下圖是兩種更改間隙尺寸比例因子（gap-size scaling factor）后的結果與原始間隙尺寸的對比，從圖中可以看出，當間隙尺寸比例因子改為0.125和0.25后，和原始間隙結構對比，進口的質量流量得到一定程度的提高，排氣口的壓力升高，說明間隙的減小一定程度上改善了間隙泄露的問題。但是當間隙進一步減小時，即對比更改間隙尺寸比例因子以后的兩組結構，進口的質量流量和排氣口的壓力并沒有明顯差別，說明當間隙尺寸足夠小時，間隙處的流動幾乎處于堵塞狀態，進一步減小間隙尺寸幾乎沒有影響，為提升產品性能提供了優化方向。

由于容積式壓縮機結構較為復雜，仿真模擬一直都存在著較大的挑戰，在ANSYS 所提供的針對于該類工業產品較為全面的解決方案中，不僅僅有CFX的浸沒邊界法、Twin-mesh和Fluent的動網格技術，還新增了獨特的Forte解決方案。

綜上所述，通過實際案例的基準化研究，Forte在計算容積式壓縮機時可以快速準確的得到相應結果，對于網格處理、間隙尺寸優化、求解、節省計算時間、并行計算等方面均具有明顯的優勢。

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