離心式壓縮機，也稱為離心式風扇或鼓風機，主要用于壓縮目的。附在旋轉葉輪上的徑向葉片將空氣吸入裝置的中心。它們非常適合高壓應用，其高效設計可以節省能源。等熵效率和葉片載荷是這些壓縮機設計中的關鍵因素。包括空氣動力學和結構目標在內的多物理場方法將確保獲得最佳結果。簡化設計流程并最大限度地減少迭代次數可以實現實用、資源高效的設計。這縮短了上市時間并提高了設計過程的整體效率。在這個簡短的案例研究中，考慮空氣動力級性能和葉輪結構完整性的帶罩徑流式壓縮機的優化，i。等熵效率和降低von Mises 壓力，是使用 Cadence Fidelity Turbomachinery 套件和Concepts NREC執行的。

描述

對于本研究，已選擇具有帶護罩葉輪、無葉片擴壓器且無集流器的單級壓縮機，如下圖所示。這里，目標是獲得以下設計條件。

• 盡量減少離心力引起的 von Mises 應力或葉片負載。

• 提高總等熵效率。

3D 舞臺幾何形狀（左）和舞臺幾何形狀的子午線視圖（右）。

優化方法論

優化工作流程

在這項研究中，采用了基于代理的優化方法，工作流通過創建參數化幾何模型啟動，即幾何由一組參數定義。隨后，定義了自由參數的子集。作為此工作流程的下一步，進行實驗設計 (DOE) 以探索設計空間，并對這些實驗的結果進行評估并在數據庫中匯總。此外，使用該數據庫創建了一個替代模型，該模型可以根據輸入參數預測效率和總壓比。

優化工作流程

通過優化此代理模型生成單個或多個候選對象。這些候選人進一步接受計算流體動力學 (CFD)和計算結構機制 (CSM)分析。這些分析的結果被輸入數據庫。這個循環一直持續到滿足目標或收斂標準并生成新的優化設計。

不同優化方法的組合

von Mises 應力與等熵效率——數據庫、多目標優化、單目標優化。

為了達到預期的結果，本研究有效地利用了各種優化技術。 在工作流程中的 DOE 步驟之后，將創建替代模型的數據庫，并使用留一法分析對其進行交叉驗證。使用此分析，在啟動優化之前確認替代模型的準確性。首先， 探討了以可行范圍內的效率和 von Mises 應力等目標為重點的多目標優化。作為優化工作流程的第二步，單目標優化將階段效率作為目標，將 von Mises 應力（設置為最大值）作為約束。

設計過程中使用的工具

優化工作流程中使用的工具

幾何設計和網格劃分

參數化模型的生成在AxCent中進行。它是用于詳細渦輪機械 3D 幾何設計的強大工具。該工具使用戶能夠進行初步的流動和應力分析。此優化的參數模型有 27 個自由參數和 50 個可以鏈接不同參數或定義復數的數學方程式。

AxCent 還用于 CSM 網格劃分和仿真，使用稱為按鈕 FEA 的模塊，這是一種完全集成的應力分析工具，允許用戶同時進行結構和空氣動力學分析。

對于 CFD 分析，使用Fidelity Autogrid生成結構化網格。它適用于不同渦輪機械配置的預定義拓撲。它包含高級平滑算法和腳本功能。

求解器

幾何設計和網格劃分部分提到，CSM仿真是在AxCent中進行的，CSM設置如下：

• 單通道模型 – 包括魚片

• 具有相對單元格大小的非結構化網格

• 一個操作點

• 使用材料 - 奧氏體不銹鋼（300 系列）

• 旋轉速度：= 1.15

• = 100° 時的材料特性

對于 CFD 仿真，將從 Fidelity Automesh Autogrid 獲得的網格插入 市場上最快的結構化求解器Fidelity Flow （Fine/Turbo），為轉子-定子接口、收斂加速提供高級選項，并具有完整和批處理腳本功能。差價合約設置如下：

• 單通道型號

• 結構化網格

• Spalart–Allmaras 湍流模型

• 墻面功能

• 流體：2、理想氣體

• 邊界條件：入口總壓、入口溫度和出口質量流量

• 沿單速線的三個操作點

結果與結論

五種設計的最大 von Mises 應力和總等熵效率。

根據繪制的數據，很明顯 v3 設計是最優化的，在目標之間取得了良好的平衡。這種設計具有最小的 von Mises 應力、高效率和令人滿意的安全限制。總之，總效率提高了 0.6%，而離心力產生的應力降低了 50% 以上。

該案例研究清楚地表明，將不同學科整合到一個優化過程中對于實現實用設計至關重要。Cadence CFD 和 Concepts NREC 提供了有效的工具來簡化這個過程。當面對相互沖突的目標時，實施多目標優化可以幫助確定最佳解決方案。

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觀看關于 Navier & Stokes 與 von Mises 的網絡研討會：徑向壓縮機的優化， 以了解有關使用 Cadence CFD 和 Concepts NREC 優化徑向壓縮機的更多信息。

文章來源：cadence博客