容積式旋轉機械（如雙螺桿膨脹機）的數值模擬已被證明是一項非常具有挑戰的工作，其特點在于隨時間變化的腔室體積伴隨著復雜的流動物理問題。

此外，腔內間隙、軸向間隙和齒間嚙合間隙所引發的間隙流動，對整個機械的效率將產生嚴重的影響。因此，CFX Berlin在一臺雙螺桿膨脹機上進行了實驗和仿真的對比。

流體-結構相互作用將會與多項流一樣，是未來數值研究領域的挑戰。這是由于數值工作明顯增加，尤其是在雙向流固耦合領域。

此外，縮短仿真時間的理論變得更詳細，如，初始化噴油的合適性或者與結構力學的耦合動態分析。對于這些挑戰，仍然需要可靠的實驗數據來評判數值結果的準確性。

下面來看一下在最近工作中的一些研究內容。

以下給出了德國多特蒙德大學的SE-51.2螺桿膨脹機的CFD計算結果。仿真計算求解器采用的是ANSYS CFX，計算網格則是采用CFX Berlin的TwinMesh網格生成工具。

SE-51.2為無傳動、干式雙螺桿膨脹機，其通過膨脹空氣（壓比6:1）將熱能轉化為機械能，轉速達到20000rpm。

膨脹機的體積比為2.5，軸長為51mm，陽轉子每周位移容積為285cm3。計算的數值模型包括完整的間隙，在幾個不同的轉速下，CFD結果與測試進行了比較。

SE-51.2的CFD仿真結果與實驗數據比對顯示，膨脹機內的工作機理和流動狀態與仿真吻合的很好。它能夠解釋想節流、腔室回填及間隙泄露等現象。此外，流量在整體上與實驗獲得非常大的一致性。

大多數情況下，CFD很容易允許對變化的間隙或者變化的工況點進行分析。關于進一步的研究，準確建立泄露源（即所有間隙真實的模型）應該特別關注，因為這回嚴重影響到機械運行過程中的特征。

然而，在數值模型中忽略轉子軸承的泄露，這一部分將假定為一個相當小的損失。

此外，單獨量化徑向間隙的泄漏量（如容積腔室間隙，嚙合間隙，沙眼）是大家普遍感興趣的問題。對于泄露的仿真，需要高質量、高分辨率的網格，粗糙的網格將導致精度的降低，尤其是在嚙合間隙位置處。在間隙劃分網格不足的情況下，采用粗化的轉子網格進行仿真模擬將過高估計流量。

來源：南京安世亞太公眾號，版權歸作者所有