壓縮機(jī)的研發(fā)與設(shè)計優(yōu)化主要集中在如下幾個方面：性能改進(jìn)、查找功率損失和流動損失的原因、通過優(yōu)化主要零部件的幾何結(jié)構(gòu)或尺寸來提高壓縮機(jī)的性能指標(biāo)、改進(jìn)排氣量、降低噪音、提高零部件壽命等。

利用現(xiàn)代CFD（計算流體力學(xué)）技術(shù)模擬壓縮機(jī)的流量、壓力、傳熱、效率等參數(shù)，較快地確定壓縮機(jī)內(nèi)部流動狀況、壓力脈動、溫度分布、間隙和泄露影響及容積效率等，可為工程師提供直觀、具體、準(zhǔn)確的信息，使壓縮機(jī)設(shè)計方案的開發(fā)與優(yōu)化設(shè)計有據(jù)可依。

壓縮機(jī)多為容積式機(jī)械，且進(jìn)出口配有閥片控制氣體的進(jìn)出，對壓縮機(jī)進(jìn)行CFD模擬的難度主要體現(xiàn)在：

Simerics MP+是Simerics公司開發(fā)的一款專業(yè)CFD軟件，包含諸多面向行業(yè)應(yīng)用定制的專業(yè)版本。Simerics MP+具備各類壓縮機(jī)、泵、閥專業(yè)模板，可快速完成網(wǎng)格劃分、計算模型及邊界條件的設(shè)置。

Simerics MP+的模板化技術(shù)將壓縮機(jī)CFD模擬的流程和規(guī)范內(nèi)置到軟件之中，使CFD模擬過程簡單化、規(guī)范化，在大幅降低使用門檻的同時，保證了計算結(jié)果的高精度及一致性。

此外，Simerics MP+可大幅提升計算效率，與通用CFD軟件相比，通常可提升5倍以上的計算速度，從而滿足工程化應(yīng)用的需要。

圖2.1 Simerics MP+類型眾多的壓縮機(jī)、泵閥模板

作為專業(yè)的壓縮機(jī)、閥門等流體機(jī)械的CFD模擬專家，Simerics MP+可以有效解決上述技術(shù)難題：

滾動活塞壓縮機(jī)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、噪聲低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于小型空調(diào)、熱泵、家用冰箱等。目前對滾動活塞壓縮機(jī)的研究主要集中在性能改進(jìn)、泄露影響、容積效率、熱力學(xué)性能指標(biāo)、振動噪聲等。將Simerics MP+應(yīng)用于滾動活塞壓縮機(jī)，可獲得滾動活塞壓縮機(jī)相關(guān)性能參數(shù)從而指導(dǎo)其設(shè)計，主要包括：

• 獲取內(nèi)部流場壓力、速度、溫度分布；

• 容積效率預(yù)測；

• 轉(zhuǎn)子和氣缸間隙分析；

• 定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計與優(yōu)化；

• 閥片設(shè)計與優(yōu)化；

• 獲取流場任一點壓力脈動（瞬態(tài)模擬），減振降噪，延長壽命等。

圖3.1  Simerics MP+滾動活塞壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

圖3.2 Simerics MP+滾動活塞壓縮機(jī)流場壓力預(yù)測

渦旋壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、微振低噪以及工作可靠性高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)領(lǐng)域、車用空調(diào)及其他特殊領(lǐng)域如渦旋增壓機(jī)等。渦旋壓縮機(jī)中氣體的壓縮是通過動靜渦旋相互嚙合形成封閉容積的變化來實現(xiàn)的，容積的大小取決于構(gòu)成渦盤型線的類型和參數(shù),不同的型線類型直接影響著壓縮機(jī)的幾何尺寸、動力學(xué)、熱力學(xué)、功耗和效率等關(guān)鍵參數(shù)、加工性能、磨損、壽命和噪聲等重要技術(shù)指標(biāo)。將Simerics MP+應(yīng)用于渦旋壓縮機(jī)可以實現(xiàn)：

• 獲取壓縮機(jī)內(nèi)部流場壓力、速度、溫度分布，以及軸向力和徑向力分布；

• 容積效率預(yù)測；

• 優(yōu)化壓縮機(jī)渦盤型線，減少泄露；

• 優(yōu)化排氣孔設(shè)計；

• 獲取流場任一點的壓力脈動（瞬態(tài)模擬），減振降噪，延長壽命等。

圖3.3 Simerics MP+渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

 圖3.4 壓縮機(jī)出口閥片網(wǎng)格模型

圖3.5 渦旋壓縮機(jī)流場壓力分布

往復(fù)式壓縮機(jī)具有壓力范圍廣、熱效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點，是化工合成、石油開采、空調(diào)制冷等領(lǐng)域必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。往復(fù)活塞式壓縮機(jī)熱力計算是壓縮機(jī)設(shè)計中最基本及最重要的一項工作，將Simerics MP+應(yīng)用于往復(fù)活塞式壓縮機(jī)可實現(xiàn)：

• 獲取壓縮機(jī)內(nèi)部壓力、速度、溫度分布；

• 分析壓縮機(jī)熱力學(xué)特性；

• 優(yōu)化氣閥設(shè)計；

• 提高效率，降低泄露；

• 監(jiān)測流場任一點的壓力脈動，降低壓力、流量脈動和噪聲等。

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)模型

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)網(wǎng)格模型

圖3.6 活塞式壓縮機(jī)與進(jìn)出口閥的聯(lián)合仿真

Simerics MP+具有專門的羅茨壓縮機(jī)模板，可快速完成轉(zhuǎn)子部分的結(jié)構(gòu)化動網(wǎng)格劃分和計算模型的設(shè)置；將Simerics MP+應(yīng)用于羅茨壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計可實現(xiàn)：

• 優(yōu)化壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計；

• 優(yōu)化進(jìn)出口流道設(shè)計；

• 分析壓縮機(jī)熱力學(xué)特性；

• 提高效率，降低泄露；

• 監(jiān)測流場任一點的壓力脈動，降低壓力、流量脈動和噪聲等。

圖3.7  Simerics MP+羅茨壓縮機(jī)網(wǎng)格模型

圖3.8  Simerics MP+羅茨壓縮機(jī)模擬界面

圖3.9  羅茨壓縮機(jī)流場壓力分布

圖3.10 羅茨壓縮機(jī)流場溫度分布

螺桿壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于礦山、化工、動力、冶金、制冷等工業(yè)部門。將Simerics MP+應(yīng)用于螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計可實現(xiàn)：

• 優(yōu)化壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線和轉(zhuǎn)子幾何設(shè)計；

• 優(yōu)化排氣孔口設(shè)計；

• 分析間隙、泄露對壓縮機(jī)性能的影響；

• 優(yōu)化熱力學(xué)特性；

• 噴油口設(shè)計及優(yōu)化；

• 監(jiān)測流場任一點的壓力脈動，降噪減振、延長壓縮機(jī)壽命等。

圖3.11 單螺桿壓縮機(jī)網(wǎng)格模型

圖3.12 單螺桿壓縮機(jī)速度分布

圖3.13 雙螺桿壓縮機(jī)仿真：溫度分布

圖3.14 噴油雙螺桿壓縮機(jī)仿真：油液及溫度分布

壓氣機(jī)是發(fā)動機(jī)的心臟，其性能好壞直接影響整臺發(fā)動機(jī)的正常工作。將Simerics MP+應(yīng)用于壓氣機(jī)的CFD模擬，可實現(xiàn)：

• 準(zhǔn)確預(yù)測壓氣機(jī)內(nèi)部流動狀況；

• 獲取壓縮性能參數(shù)；

• 為壓氣機(jī)改型提供準(zhǔn)確、詳細(xì)的分析依據(jù)。

利用Simerics MP+對Eckardt離心壓氣機(jī)的葉輪進(jìn)行了仿真研究，獲得的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果具有良好的吻合度。

圖3.15 Simerics MP+計算結(jié)果 （a）馬赫數(shù)分布圖

圖3.16 Simerics MP+計算結(jié)果 （b）總壓分布圖

圖3.17 計算-試驗結(jié)果對比 （a）總壓比-流量曲線

圖3.18 計算-試驗結(jié)果對比 （b）效率曲線

文章來源：合工仿真