淺析離心壓縮機設計與流固耦合仿真
離心式壓縮機具有氣量大、結構簡單、運行穩定等優點，其中多級式離心壓縮機同時具備高排氣壓力、高效率、工作區寬、節能等特點。在國民經濟中的多數領域，離心壓縮機作為高速透平機械運用極為廣泛，尤其是在化工、礦業、冶金、石油、制冷和動力等部門中廣泛地使用壓縮機來輸送氣體。由于架設壓縮機價格不菲、且運行耗能較大、運行性能直接關系到整個設備的經濟效益、運行的安全性決定著整個設備的可靠性，它就成為了備受關注的心臟設備。因此，設計高效節能的壓縮機葉輪是設計人員不斷提升的目標。
離心壓縮機葉輪結構復雜，工況和工作環境也復雜多變，長期高速運轉的葉輪處在十分復雜的動力環境中，除了承受著自身離心力、葉輪與軸過盈配合產生的殘余應力和穩定氣流力的作用外也經受著多種非穩態氣流的共同作用。由于葉輪葉片壓力面與吸力面的氣體流動不同，在非穩態氣流作用下會引起葉片壓力面和吸力面產生交變壓差，這種交變壓差將導致葉片產生振動和變形。若非穩態氣流變化頻率過高，葉片極易產生高周疲勞，高周應力引起的疲勞破壞是葉輪葉片產生裂紋和局部斷裂脫落的主要原因。
為了探明葉輪溫度場模型及應力場模型，對于葉輪產生的應力破壞，以離心壓縮機為研究對象，進行基于流固耦合的數值模擬研究，對于離心壓縮機的熱力學特性和可靠性研究具有重要意義。流固耦合是指在流場作用下變形固體的各種行為以及固體變形對流場的交互影響。從CAE實現方式來看，主要有雙向耦合和單向耦合兩種方式，考慮到實現難度和計算成本，本文主要介紹基于Simerics-MP+與ANSYS之間的單向耦合過程。即如何利用Simerics-MP+進行壓縮機的熱流場仿真，并結合有限元分析工具進行壓縮機的流固耦合仿真分析，通過離心壓縮機內部流場與葉輪流固耦合強度分析，從熱氣動分析角度研究葉片失效（斷裂等）因素對于葉輪結構設計的參考和優化指導。
本技術方案引入專業的壓縮機參數化設計工具CFturbo，壓縮機熱流場仿真分析工具Simerics-MP+（原PumpLinx），以及有限元分析工具來進行壓縮機的設計仿真優化和結構校核模擬。其中CFturbo與Simerics-MP+之間具備設計仿真的無縫集成接口，即CFturbo設計的方案模型可在CFturbo中直接轉換為Simerics-MP+可用的模型，并自動啟動Simerics-MP+進行熱流體計算，而無需其他的前處理和求解設置工作。
Simerics-MP+的前身即專業的運動機械仿真工具PumpLinx，對于壓縮機及其他運動機械的熱流場仿真分析而言，由于其內置的壓縮機分析模板、快速高效的前處理和求解功能，使得壓縮機的熱力學模擬過程十分高效，其MPI高并行功能則更加速了這一進程。而對于一些非理想工況，也可以通過其內置的Nist真實物性數據提取的小程序，實現壓縮機真實氣體熱流場的模擬，更提高了模擬的精確性。
由于壓縮機高速旋轉以及工作過程的熱力學效應，對壓縮機結構件的仿真校核十分必要。在Simerics-MP+的熱力學計算完成后，往往可以選擇輸出壁面的壓力和溫度（或熱流密度）載荷，施加到有限元分析工具進行熱應力的計算校核。由于大多數的結構有限元工具均具備通用的數據插值格式，因此按照對應軟件的格式要求進行編輯，即可順利加載進行后續的流固耦合分析工作。目前可支持大多數主流有限元分析工具的單向耦合，如Abaqus、Nastran、經典ANSYS等。本文則以ANSYS Workbench為例介紹主要的實現流程。
而值得注意的是，由于CFturbo不僅可以進行流道的設計優化，同時也可以對結構固體部分進行加厚設計，因此更便于設計人員進行后續的結構有限元分析。
基于上述軟件工具與計算方法的結合，壓縮機的設計與流固耦合分析的實現途徑不僅實現簡便且十分高效。其主要的技術路線如下：
在CFturbo中進行壓縮機整機設計以及葉輪結構部分設計；流體域部分可無縫輸出Simerics-MP+中進行熱流場計算，并得到結構固體壁面的溫度以及壓力分布，加載至結構有限元分析工具，進行后續的結構應力應變分析。
下面讓小編帶大家看看具體案例的實現過程吧。
離心壓縮機幾何模型設計
本案例在CFturbo中進行了單級離心壓縮機的設計，包括離心壓縮機葉輪、進口段和葉片式擴壓器等組成部件，如下為具體設計參數：
利用CFturbo內置的離心壓縮機設計經驗函數和相關文獻資料和已有設計經驗，最終獲得壓縮機的設計方案如下：
離心壓縮機二維子午面與三維模型如下圖：
離心壓縮機設計方案
此外，在CFturbo中進行了離心壓縮機葉輪部分固體域的加厚設計，如下圖：
在CFturbo中完成壓縮機的設計工作后，可直接進行流體域和結構域的切割工作，方便設計人員進行后續的數值分析工作。其中流體域模型如下：
離心壓縮機熱力學仿真計算
基于CFturbo與Simerics-MP+的無縫集成接口，通過CFturbo設計的離心壓縮機整機流體域模型可直接導出并激活Simerics-MP+軟件進行CFD仿真，且前處理網格劃分、模型設置及求解等工作均自動完成，只需啟動仿真計算即可查看結果。
針對離心壓縮機各部件，Simerics-MP+自動網格劃分結果如下：
默認物理模型考慮了湍流與傳熱并添加了相應模型，邊界條件：進口總壓-1.013bar、進口總溫20°C、出口體積流量1.3263m^3/s、轉速22360rpm。CFturbo輸出設置時可選擇穩態或瞬態計算，本案例以穩態計算1500步為例展示部分過程結果圖片。
下圖為Simerics-MP+離心壓縮機仿真界面，集前處理、求解與后處理于一體，從收斂曲線趨勢可以看到，仿真模型具有良好的收斂特性，較短時間步內即可獲得良好的收斂解，且幾乎不需要任何調試。
為判斷離心壓縮機仿真是否遵循質量守恒定律，提取了進出口質量流量之和的曲線分布，如下圖所示。在迭代600步后，曲線穩定且進出口質量之和為0，滿足質量守恒。
下圖為離心壓縮機進口體積流量曲線，穩定值為179150L/min。
離心壓縮機出口體積流量曲線
離心壓縮機轉子的溫度與壓力分布結果如下：
在Simerics-MP+啟動計算之前，可以選擇相關的壁面邊界（如葉輪、導葉等），輸出對應的壓力和溫度分布，以便后續加載到結構分析工具中進行結構熱應力分析。如下圖所示：
離心壓縮機熱應力仿真
將Simerics MP+中葉輪表面處的溫度與壓力分布導入至ANSYS Workbench 中進行后續的結構分析。
調用Steady-state Thermal 熱分析模塊和Static Structural結構分析模塊。采用External Date導入Simerics-MP+中的流體壓力與溫度計算結果。
創建相應的工作流如下：
葉輪結構域網格單元總數為110萬，如下圖：
邊界條件給定軸端面為固定約束。
通過考慮流體壓力載荷以及熱分布對結構應力的影響，通過結構有限元分析計算得到的部分計算結果如下：
如前文所述，基于CFturbo&Simerics-MP+&結構有限元分析工具可快速建立壓縮機的設計與流固耦合仿真分析流程，通過CAE軟件技術助力壓縮機的設計、仿真、性能優化與結構校核，該方法同樣可適用于其他類型的葉輪機械。其可為設計人員帶來的價值效益與更進一步的分析工作有：
設計與仿真的無縫集成，以及設計工具與熱力學仿真分析工具的專業性，使壓縮機等葉輪機械的設計優化效率得到了極大的提高，且完全適用于CAD設計人員進行方案的設計改進；
由于結構件的變形量有限，對于壓縮機熱流場的仿真精度影響有限，因此采用單向流固耦合計算的方法，不僅降低了計算難度，提高了計算效率，同時其計算結果也具有實用性；
對于運動機械而言，考慮到瞬態流場可能引起的熱應力、噪聲、振動仿真分析，需要加載隨時間變化的壓力和溫度（或熱流密度）分布，進行非定常的流固耦合分析，是許多客戶關注的問題。Simerics-MP+同樣支持瞬時結果的輸出，可滿足瞬態過程的耦合計算。
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文章來源：海基科技
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