背景描述

螺桿泵/壓縮機是一種應用廣泛的通用機械，由于其結構復雜，采用CFD技術對其進行分析時異常困難，主要都是基于試驗進行性能分析設計。當前，對于螺桿機械公開發表的CFD分析文獻很少，數值仿真還未發揮應有的價值。

近期，美國Simerics公司聯合倫敦城市大學采用SCORG+Pumplinx的方法對螺桿機械進行了詳細的CFD性能分析，突破了螺桿機械CFD分析的多項瓶頸，取得了喜人的成績。本文將介紹該獨一無二的技術方法。

技術難點

螺桿機械的轉子結構非常復雜，對其進行CFD分析是一項高技術含量的工作，目前來看，具有相當大的技術難點：

   1、轉子區域為大變形區域，需要建立高質量的結構網格；

    2、需要考慮陰陽轉子之間極微小的嚙合間隙；

    3、需要設置轉子部分的動網格，描述由于轉子流體域大變形所引起的流場變化；

    4、對于雙螺桿壓縮機，需要同時對流場的動力學和熱力學特性（泄露、傳熱，排氣孔口流動）的過程進行研究；

    5、對于雙螺桿泵則需要考慮流場內部的空化效應；

    6、需要考慮由于流場擾動引起的流致振動及噪聲。

螺桿機械仿真解決方案

針對上述技術難點，為解決螺桿機械的CFD分析難題，倫敦城市大學找到了Simerics公司，SCORG+Pumplinx的聯合解決方案應運而生。SCORG是專業螺桿機械型線分析及前處理軟件，可以制作螺桿機械高質量結構網格。Pumplinx是專業運動機械CFD仿真軟件，具備各種專業的物理模型及強大的求解能力。

圖1 SCORG+Pumplinx聯合解決方案

螺桿機械數值分析案例

在進行螺桿機械的性能分析時，客戶往往不能滿足于一維的熱力學預測，而希望能對螺桿壓縮機或泵進行更為詳細的三維CFD數值分析，獲得螺桿機械流場的壓力、速度、溫度以及空化預測，以及更為精確的性能特性曲線。

聯合SCORG與PumpLinx即可實現螺桿機械的三維非定常數值分析。

下圖為某雙螺桿壓縮機的三維模型，提取后的流體域部分由吸入段、排出段和轉子部分構成。

圖2 雙螺桿壓縮機幾何模型

SCORG為專業的雙螺桿機械型線分析和前處理軟件，通過輸入雙螺桿機械陰陽轉子型線數據和齒數、節距及軸徑等相關參數，即可自動生成雙螺桿壓縮機轉子部分結構網格。

圖3 轉子區域網格

圖4 嚙合間隙處網格

   SCORG與PumpLinx實現無縫集成，SCORG生成的轉子結構網格可直接輸入至PumpLinx。PumpLinx內置有螺桿壓縮機的數值分析模板，通過輸入螺桿壓縮機的齒數、轉速、旋轉中心等運行參數，即可自動設置螺桿壓縮機轉子部分的動網格，進而進行流場數值分析。

   在PumpLinx中調用雙螺桿壓縮機模板并設置動網格后，設置該分析模型的邊界條件和介質參數，即可對該壓縮機進行熱流體分析預測，部分參數如下圖所示。

圖5 邊界條件及物性參數

   通過對該雙螺桿壓縮機進行6000rpm和8000rpm兩個工況的預測分析，并與試驗值進行對比分析，驗證了數值結果的準確性，同時也為雙螺桿壓縮機的產品優化及性能分析提供了一種更為便利和經濟的手段。

圖6 Pumplinx仿真界面

圖7 Pumplinx壓力計算結果動畫

圖8 Pumplinx溫度計算結果動畫

圖9 仿真與試驗對比(腔內壓力隨旋轉角度變化曲線)

圖10 仿真與試驗對比(流量、容積效率、功率等)

其它案例簡介

圖11 噴油雙螺桿壓縮機流場分析

 
圖12 斜齒輪泵流場分析

圖13 多轉子螺桿泵

圖14 斜齒式風機

圖15 變分度圓螺桿壓縮機

圖16 非常規螺桿機

總結

通過應用SCORG + PumpLinx軟件技術方法，可以進行螺桿機械的設計和三維CFD數值分析，建立基于數值分析的快速高效的螺桿機械性能預測能力，為研發機構提供更高效的工作方式，并帶來更大利益。

文章來源： PumpLinx運動機械CFD專家