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

隨著數(shù)值計算技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸深入，越來越多的企業(yè)開始嘗試運用仿真的手段解決其工業(yè)產(chǎn)品的性能等關(guān)鍵問題，以減少試驗次數(shù)，降低樣件試制成本，提高產(chǎn)品穩(wěn)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(jié)合了CHEMKIN-PRO求解器技術(shù)的內(nèi)燃機CFD仿真工具包，含有多組分燃燒模型并結(jié)合復雜的噴霧動力學，可以在短時間內(nèi)完成詳細化學的計算，能夠?qū)缀跞我馊剂系膬?nèi)燃機進行穩(wěn)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(yōu)勢。

• CFD難點分析

容積式壓縮機結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)機械的網(wǎng)格處理上必然會遇到挑戰(zhàn)，網(wǎng)格的數(shù)量、質(zhì)量、動網(wǎng)格的應(yīng)用都直接影響到計算結(jié)果的精度和準確性。

容積式壓縮機內(nèi)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(nèi)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(shè)置和收斂性上有較高要求。

壓縮機的運行是一個動態(tài)過程，因此在模擬時多采用非穩(wěn)態(tài)的仿真計算，但由于較小的時間步長和比較大的求解區(qū)域，會導致計算時間長、計算量大等問題；同時想要得到動態(tài)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(yōu)勢

傳統(tǒng)的ANSYS CFX 或 ANSYS Fluent對容積式壓縮機的仿真均采用動網(wǎng)格來處理，即在每一個時間步長下網(wǎng)格的節(jié)點位置更新一次。ANSYS Forte在求解時采用3D瞬態(tài)可壓縮的流動，網(wǎng)格自動生成且不需要提前生成網(wǎng)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，F(xiàn)orte可以自動檢測面與面之間小的間隙并進行網(wǎng)格加密處理，同時采用經(jīng)驗間隙模型（Empirical gap model）來補償間隙中分辨率差的網(wǎng)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(yīng)力的經(jīng)驗間隙模型來得到間隙內(nèi)的流動特征，從而解決了間隙網(wǎng)格質(zhì)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(jié)果進行后處理，瞬態(tài)計算過程中，計算結(jié)果可直接立刻動態(tài)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(wǎng)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(zhuǎn)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(jiān)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(guān)于螺桿壓縮機仿真的基準化研究

螺桿壓縮機齒數(shù)比為3:5，工作介質(zhì)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速：6000、7000、8000RPM，整體網(wǎng)格尺寸4mm，間隙加密網(wǎng)格尺寸1mm，總的網(wǎng)格數(shù)量50萬。

從下圖可以看出，當陽轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為6000RPM,7000RPM和 8000RPM時，F(xiàn)orte仿真得到進口的質(zhì)量流量與實驗進口流量均隨著時間變化數(shù)據(jù)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(guī)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(guī)律基本一致，再次證明了軟件應(yīng)用的可行性。

第二部分內(nèi)容通過改變間隙網(wǎng)格的尺寸和時間步長的大小，研究Forte仿真結(jié)果對于這兩個參數(shù)的敏感性。從下圖可以看出，原始間隙網(wǎng)格尺寸為1mm，時間步長2.5 μs；當間隙網(wǎng)格尺寸改為0.5mm，質(zhì)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(zhì)量流量和壓力分布同樣沒有明顯變化。因此可得出仿真結(jié)果對間隙網(wǎng)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(jié)果表明，當間隙尺寸為17.5μm時，經(jīng)過間隙的流動幾乎處于堵塞狀態(tài)，但計算結(jié)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(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)對比，進口的質(zhì)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(jié)構(gòu)，進口的質(zhì)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(tài)，進一步減小間隙尺寸幾乎沒有影響，為提升產(chǎn)品性能提供了優(yōu)化方向。

由于容積式壓縮機結(jié)構(gòu)較為復雜，仿真模擬一直都存在著較大的挑戰(zhàn)，在ANSYS 所提供的針對于該類工業(yè)產(chǎn)品較為全面的解決方案中，不僅僅只有CFX的浸沒邊界法、Twin-mesh和Fluent的動網(wǎng)格技術(shù)，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，F(xiàn)orte在計算容積式壓縮機時可以快速準確的得到相應(yīng)結(jié)果，對于網(wǎng)格處理、間隙尺寸優(yōu)化、求解、節(jié)省計算時間、并行計算等方面均具有明顯的優(yōu)勢。

 

本文作者： 周朦佳

文章來源：安世亞太