ansys軟件cfx的案例
仿真案例｜使用Ansys CFX提高真空吸塵抽風(fēng)機(jī)效率
作者：Philipp Epple、Caslav Ilic
翻譯：上海安世亞太
Ansys CFX是渦輪機(jī)械性能研究的組成部分，主要研究徑向風(fēng)扇設(shè)計(jì)。
流體力學(xué)研究所（Lehrstuhl für str?mungsmechanik,LSTM）成立了研究小組專注于渦輪機(jī)領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)工作。這項(xiàng)工作包括基于綜合分析設(shè)計(jì)考慮的葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)值性能研究、快速原型制作、原型葉輪和擴(kuò)散器以及完整風(fēng)扇的實(shí)驗(yàn)研究。在徑向壓縮機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究和開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)是用于真空吸塵器應(yīng)用的徑向風(fēng)扇。Ansys CFX 10.0計(jì)算流體力學(xué)軟件是設(shè)計(jì)過(guò)程中不可缺少的一部分。
CAD模型
通過(guò)離心式渦輪機(jī)的流動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)葉輪的能量傳遞到氣流的區(qū)域內(nèi)主要是徑向的。對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)的葉輪在能量傳遞發(fā)生的區(qū)域內(nèi)以軸向的方式通過(guò)。軸向鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行也正在LSTM-Erlangen進(jìn)行。
離心風(fēng)機(jī)在許多方面與離心泵和離心壓縮機(jī)相似。這兩種機(jī)器的主要區(qū)別是泵推動(dòng)的液體實(shí)際上是不可壓縮的，而壓縮機(jī)處理氣體的條件是流動(dòng)流體的密度發(fā)生明顯變化。通常，風(fēng)扇是處理低于1.1的壓縮比的設(shè)備，而鼓風(fēng)機(jī)在1.1和4之間工作，而壓縮機(jī)在4的壓縮比以上工作。
在開(kāi)發(fā)過(guò)程的第一步，LSTM-Erlangen的小組對(duì)現(xiàn)有的風(fēng)扇進(jìn)行性能研究，稍后將重新設(shè)計(jì)，達(dá)到更高的效率。這些性能研究是利用實(shí)際幾何形狀的CAD數(shù)據(jù)作為網(wǎng)格生成的基礎(chǔ)進(jìn)行的。Ansys ICEM CFD軟件為復(fù)雜幾何形狀的快速網(wǎng)格生成提供了極好的工具。Ansys CFX提供了執(zhí)行以下計(jì)算所需的所有多個(gè)參考框架工具：利用Ansys CFX軟件，易于對(duì)真空吸塵器徑向風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能研究。用Ansys CFX進(jìn)行CFD模擬，可以將來(lái)自試驗(yàn)臺(tái)的流動(dòng)通過(guò)葉輪和擴(kuò)散器進(jìn)入導(dǎo)葉，通過(guò)電機(jī)，再進(jìn)入其后面的空間。
展開(kāi) 仿真案例｜提高真空吸塵抽風(fēng)機(jī)效率
上海安世亞太公司
Ansys CFX是渦輪機(jī)械性能研究的組成部分，主要研究徑向風(fēng)扇設(shè)計(jì)。
流體力學(xué)研究所（Lehrstuhl für str?mungsmechanik,LSTM）成立了研究小組專注于渦輪機(jī)領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)工作。這項(xiàng)工作包括基于綜合分析設(shè)計(jì)考慮的葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)值性能研究、快速原型制作、原型葉輪和擴(kuò)散器以及完整風(fēng)扇的實(shí)驗(yàn)研究。在徑向壓縮機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究和開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)是用于真空吸塵器應(yīng)用的徑向風(fēng)扇。Ansys CFX 10.0計(jì)算流體力學(xué)軟件是設(shè)計(jì)過(guò)程中不可缺少的一部分。
CAD模型
通過(guò)離心式渦輪機(jī)的流動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)葉輪的能量傳遞到氣流的區(qū)域內(nèi)主要是徑向的。對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)的葉輪在能量傳遞發(fā)生的區(qū)域內(nèi)以軸向的方式通過(guò)。軸向鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行也正在LSTM-Erlangen進(jìn)行。
離心風(fēng)機(jī)在許多方面與離心泵和離心壓縮機(jī)相似。這兩種機(jī)器的主要區(qū)別是泵推動(dòng)的液體實(shí)際上是不可壓縮的，而壓縮機(jī)處理氣體的條件是流動(dòng)流體的密度發(fā)生明顯變化。通常，風(fēng)扇是處理低于1.1的壓縮比的設(shè)備，而鼓風(fēng)機(jī)在1.1和4之間工作，而壓縮機(jī)在4的壓縮比以上工作。
在開(kāi)發(fā)過(guò)程的第一步，LSTM-Erlangen的小組對(duì)現(xiàn)有的風(fēng)扇進(jìn)行性能研究，稍后將重新設(shè)計(jì)，達(dá)到更高的效率。這些性能研究是利用實(shí)際幾何形狀的CAD數(shù)據(jù)作為網(wǎng)格生成的基礎(chǔ)進(jìn)行的。Ansys ICEM CFD軟件為復(fù)雜幾何形狀的快速網(wǎng)格生成提供了極好的工具。Ansys CFX提供了執(zhí)行以下計(jì)算所需的所有多個(gè)參考框架工具：利用Ansys CFX軟件，易于對(duì)真空吸塵器徑向風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能研究。用Ansys CFX進(jìn)行CFD模擬，可以將來(lái)自試驗(yàn)臺(tái)的流動(dòng)通過(guò)葉輪和擴(kuò)散器進(jìn)入導(dǎo)葉，通過(guò)電機(jī)，再進(jìn)入其后面的空間。
展開(kāi) ANSYS發(fā)布新版SPACECLAIM和FENSAP-ICE
新版也是ANSYS收購(gòu)該技術(shù)后推出的第一個(gè)版本，能改進(jìn)與同類領(lǐng)先的渦輪設(shè)備流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ANSYS CFX的集成工作。增強(qiáng)型集成幫助用戶充分發(fā)揮FENSAP-ICE和FENSAP-ICE TURBO的獨(dú)特功能，更加精確地預(yù)測(cè)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中冰的形成，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高安全性。
新版為這兩種系統(tǒng)的用戶帶來(lái)了大量增強(qiáng)功能，幫助用戶更高效、更精確地預(yù)測(cè)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、探頭和組件的飛行中結(jié)冰情況。FENSAP產(chǎn)品系列集成了加速和效率提升功能，能夠幫助用戶在仿真驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中整合結(jié)冰預(yù)測(cè)信息。
ANSYS流體業(yè)務(wù)部的高級(jí)總監(jiān)Andre Bakker指出：“新版精心優(yōu)化了數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出功能，能更高效精確地實(shí)現(xiàn)FENSAP產(chǎn)品和ANSYS計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)解決方案之間的數(shù)據(jù)交換。最大限度地提高結(jié)冰仿真的精確度可確保，從分析中獲得的工程信息和由此做出的設(shè)計(jì)決策真正有助于提高飛行安全性?！?此外，F(xiàn)ENSAP版還提供了一系列功能改進(jìn)和擴(kuò)展，能進(jìn)一步提高效率，包括更靈活的網(wǎng)格剖分選項(xiàng)、加速解算法、直接抽取關(guān)鍵仿真結(jié)果和更強(qiáng)大的后處理功能等。這都有助于減少調(diào)查和求解復(fù)雜結(jié)冰問(wèn)題所需的時(shí)間和工作量。
全新特性和增強(qiáng)特性列表如下：
http://www.ansys.com/Products/Fluids/ANSYS+FENSAP-ICE
關(guān)于ANSYS, Inc.
作為全球工程仿真領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，ANSYS在眾多產(chǎn)品的創(chuàng)造過(guò)程中都扮演著至關(guān)重要的角色。無(wú)論是火箭發(fā)射、飛機(jī)翱翔長(zhǎng)空、汽車高速馳騁、電腦和移動(dòng)設(shè)備的便捷使用、橋梁虹跨江河還是可穿戴產(chǎn)品的貼心使用，ANSYS技術(shù)都盡顯卓越。我們幫助全球最具創(chuàng)新性的企業(yè)推出投其客戶所好的出色產(chǎn)品，通過(guò)業(yè)界性能最佳、最豐富的工程仿真軟件產(chǎn)品組合幫助客戶解決最復(fù)雜的仿真難題，我們讓工程產(chǎn)品充分發(fā)揮想象的力量。
展開(kāi) 高速懸浮火焰噴涂（HVSFS）燃燒噴射技術(shù)的數(shù)值模擬與優(yōu)化
本文采用歐拉法求解反應(yīng)氣體的熱場(chǎng)和流場(chǎng)，采用拉格朗日（Lagrangian）法模擬顆粒的飛行行為，使用商業(yè)CFD軟件ANSYS-CFX11。
對(duì)HVSFS過(guò)程的模擬結(jié)果表明，乙醇的蒸發(fā)和燃燒發(fā)生在燃燒室外，膨脹噴嘴內(nèi)存在的冷卻效應(yīng)會(huì)影響HVSFS系統(tǒng)的能量平衡。改變噴射角的優(yōu)化方法可以提高乙醇在燃燒室中的停留時(shí)間，從而縮短了蒸發(fā)長(zhǎng)度，使噴嘴內(nèi)的冷卻效果完全消失。然而，如圖6所示，由于顆粒團(tuán)聚、顆粒沉積在燃燒室壁上，或者由于它們的長(zhǎng)流動(dòng)路徑和在燃燒室中的停留時(shí)間而導(dǎo)致顆粒氧化，該改進(jìn)的噴射角也會(huì)具有一些不足。
圖6：采用30°噴射角的HVSFS燃燒室中二氧化鈦顆粒流動(dòng)路徑的不穩(wěn)定性
本文之后的研究工作包括優(yōu)化HVSFS熱噴涂系統(tǒng)的過(guò)程，目的是精確和詳細(xì)地描述在torch出口和基底之間的自由射流區(qū)域的流場(chǎng)，也就是本文中簡(jiǎn)略的部分。此外，還需要對(duì)HVSFS燃燒室中顆粒流動(dòng)路徑的不穩(wěn)定性進(jìn)行研究。
本文的研究目的是開(kāi)發(fā)一種分析方法，用于分析和預(yù)測(cè)HVSFS熱噴涂系統(tǒng)在各種操作條件下的性能，確定各個(gè)參數(shù)對(duì)過(guò)程的影響，并最終幫助和促進(jìn)HVSFS torch的設(shè)計(jì)。
展開(kāi) 
高速懸浮火焰噴涂（HVSFS）燃燒噴射技術(shù)的數(shù)值模擬與優(yōu)化
本文采用歐拉法求解反應(yīng)氣體的熱場(chǎng)和流場(chǎng)，采用拉格朗日（Lagrangian）法模擬顆粒的飛行行為，使用商業(yè)CFD軟件ANSYS-CFX11。
對(duì)HVSFS過(guò)程的模擬結(jié)果表明，乙醇的蒸發(fā)和燃燒發(fā)生在燃燒室外，膨脹噴嘴內(nèi)存在的冷卻效應(yīng)會(huì)影響HVSFS系統(tǒng)的能量平衡。改變噴射角的優(yōu)化方法可以提高乙醇在燃燒室中的停留時(shí)間，從而縮短了蒸發(fā)長(zhǎng)度，使噴嘴內(nèi)的冷卻效果完全消失。然而，如圖6所示，由于顆粒團(tuán)聚、顆粒沉積在燃燒室壁上，或者由于它們的長(zhǎng)流動(dòng)路徑和在燃燒室中的停留時(shí)間而導(dǎo)致顆粒氧化，該改進(jìn)的噴射角也會(huì)具有一些不足。
圖6：采用30°噴射角的HVSFS燃燒室中二氧化鈦顆粒流動(dòng)路徑的不穩(wěn)定性
本文之后的研究工作包括優(yōu)化HVSFS熱噴涂系統(tǒng)的過(guò)程，目的是精確和詳細(xì)地描述在torch出口和基底之間的自由射流區(qū)域的流場(chǎng)，也就是本文中簡(jiǎn)略的部分。此外，還需要對(duì)HVSFS燃燒室中顆粒流動(dòng)路徑的不穩(wěn)定性進(jìn)行研究。
本文的研究目的是開(kāi)發(fā)一種分析方法，用于分析和預(yù)測(cè)HVSFS熱噴涂系統(tǒng)在各種操作條件下的性能，確定各個(gè)參數(shù)對(duì)過(guò)程的影響，并最終幫助和促進(jìn)HVSFS torch的設(shè)計(jì)。
展開(kāi) 《高級(jí)有限元仿真》(ANSYS PRODUCTS V12 WIN64)[光盤鏡像]
在ANSYS WORKBENCH 中，ANSYS 和ANSYS CFX 技術(shù)的集成取得了更大的進(jìn)步。在ANSYSWORKBENCH 環(huán)境中，用戶可以完整地建立、求解和后處理雙向流固耦合仿真。最新的版本也提供了單一后處理工具，可以用更少的時(shí)間獲得復(fù)雜多物理問(wèn)題的解決，并且擴(kuò)展了仿真的應(yīng)用領(lǐng)域。
利用ANSYS CFX 軟件的統(tǒng)一網(wǎng)格接口可以在ANSYS 和ANSYS CFX 之間傳遞FSI 載荷，所有流固耦合問(wèn)題的結(jié)果的魯棒性和精度獲得了改進(jìn)。界面載荷傳遞技術(shù)的突破，很明顯的好處就在于讓同一團(tuán)隊(duì)的FEA 和CFD 專家共享信息更方便。在新版中流固耦合的領(lǐng)域也得到了擴(kuò)展。
渦輪系統(tǒng)一體化解決方案
ANSYS WORKBENCH 環(huán)境提供了旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程所需的幾何設(shè)計(jì)和分析的集成系統(tǒng)。ANSYSWORKBENCH，作為高級(jí)物理問(wèn)題的集成平臺(tái)，能夠讓設(shè)計(jì)人員建立旋轉(zhuǎn)機(jī)械的模型，比如水泵、壓縮機(jī)、風(fēng)扇、吹風(fēng)機(jī)、渦輪、膨脹器、渦輪增壓器和鼓風(fēng)機(jī)。ANSYS 解決方案集成到設(shè)計(jì)過(guò)程，從而消除了中性文件傳輸、結(jié)果變換和重分析，使得CAE過(guò)程幾周內(nèi)就完成了。
ANSYS ICEM CFD 和AI ENVIRONMENT 中的創(chuàng)新在于多區(qū)域體網(wǎng)格劃分工具，可用于空氣動(dòng)力學(xué)中。新的網(wǎng)格劃分方法提供了對(duì)塊（結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方法）的靈活性和控制，易于使用的自動(dòng)（非結(jié)構(gòu)化）網(wǎng)格方法。半自動(dòng)多區(qū)網(wǎng)格算法允許用戶在面和體上對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行總體控制，邊界上通過(guò)映射或者掃描塊提供了純六面體網(wǎng)格，而內(nèi)部過(guò)渡到四面體或者六面體為主的網(wǎng)格。映射、掃描和自由劃分技術(shù)為模型中最重要區(qū)域的結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分提供了自由，可以保證用較少的精力得到高質(zhì)量的自動(dòng)化網(wǎng)格。
ANSYS ICEM CFD 和AI ENVIRONMENT產(chǎn)品也回答了古老的問(wèn)題：“我應(yīng)該用四面體劃網(wǎng)還是花更多的時(shí)間用六面體劃網(wǎng)”。
展開(kāi) 預(yù)測(cè)渦輪機(jī)械沖蝕率
針對(duì)發(fā)生沖蝕磨損的葉輪機(jī)械，借助ANSYS CFD軟件能分析葉輪內(nèi)部氣流速度場(chǎng)、氣流壓力場(chǎng)、葉片溫度場(chǎng)的分布規(guī)律；利用離散相模型能研究葉輪內(nèi)部的氣固兩相流動(dòng)，分析顆粒直徑對(duì)顆粒運(yùn)行軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、偏聚濃度及造成葉片沖蝕分布的影響規(guī)律。
以下比較了兩種熱氣膨脹器設(shè)計(jì)的侵蝕率。
FCC熱氣膨脹器受到侵蝕的困擾
催化裂化用FCC熱氣體膨脹器是工業(yè)渦輪機(jī)械的一個(gè)子集，通常會(huì)持續(xù)受到嚴(yán)重的侵蝕破壞。
催化裂化過(guò)程通過(guò)使用粉狀催化劑，再加上高溫，將高分子量的石油碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為更有價(jià)值的石油產(chǎn)品，包括汽油。整個(gè)過(guò)程通常在煉油廠連續(xù)運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月。
煙氣是催化裂化過(guò)程的副產(chǎn)品，它會(huì)通過(guò)分離器去除90%的催化劑顆粒，然后再通過(guò)催化裂化熱氣膨脹器。
FCC熱氣膨脹器是一種特殊類型的透平機(jī)械，它回收殘留在煙氣中的相當(dāng)大一部分的壓力和熱能，并用它來(lái)驅(qū)動(dòng)工藝設(shè)備或發(fā)電。
除了有較高的進(jìn)口溫度，單級(jí)FCC熱氣膨脹器的特點(diǎn)是一個(gè)大的壓力比，通常是3比1。FCC熱氣膨脹器的渦輪葉片同時(shí)受到大量的氣動(dòng)和熱應(yīng)力，這加劇了殘余固體催化劑顆粒造成的侵蝕破壞。
強(qiáng)大的分析技巧提供解決方案
計(jì)算流體力學(xué)(CFD)在葉輪機(jī)械流道優(yōu)化設(shè)計(jì)中已應(yīng)用多年。ANSYS CFX軟件包括在流體領(lǐng)域跟蹤固體顆粒的能力，以及預(yù)測(cè)固體顆粒的侵蝕在理論模型中的應(yīng)用。
機(jī)械設(shè)計(jì)人員可以利用這些模型來(lái)量化通道壁和葉片的潛在損傷。此外，用戶還可以根據(jù)腐蝕情況判斷設(shè)計(jì)變更的效果。
展開(kāi) 軸承剛度對(duì)雙葉片環(huán)保泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的影響分析
本文以自主研發(fā)的某型雙葉片環(huán)保泵為研究對(duì)象，采用ANSYS CFX和Workbench，基于流固耦合對(duì)比分析了不同軸承剛度下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)振型、固有頻率及臨界轉(zhuǎn)速，為類似泵轉(zhuǎn)子軸承選擇以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定參考。
1 數(shù)值計(jì)算模型及方法
1.1結(jié)構(gòu)與參數(shù)
雙葉片環(huán)保泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括泵軸、前軸承、后軸承、機(jī)械密封及葉輪。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：流量Qd=400m3/h；揚(yáng)程Hd=14m；轉(zhuǎn)速n=1470r/min。
1.2三維造型與網(wǎng)格劃分
采用三維軟件對(duì)雙葉片環(huán)保泵的全流道水體（進(jìn)水段、葉輪、蝸殼、出水段）進(jìn)行建模，導(dǎo)入ANSYS Meshing軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分（如圖2）。選擇網(wǎng)格數(shù)對(duì)泵效率的影響進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證（如圖3），確定流體域網(wǎng)格總數(shù)約為254萬(wàn)。
轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)離散化網(wǎng)格數(shù)量42萬(wàn)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)46萬(wàn)，網(wǎng)格模型如圖4所示，潛污泵葉輪材料選擇鑄鐵，泵軸材料選擇45鋼。
1.3邊界調(diào)節(jié)及求解設(shè)置
采用ANSYS-CFX軟件對(duì)雙葉片環(huán)保泵進(jìn)行全流道數(shù)值模擬，由于雙葉片環(huán)保泵內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，存在旋轉(zhuǎn)剪切流動(dòng)和漩渦流動(dòng)，湍流模型選擇RNGk-ε模型。交界面選擇frozenrotor，進(jìn)口邊界選擇質(zhì)量流量，出口邊界選擇靜壓。收斂精度設(shè)置為10-6，計(jì)算步長(zhǎng)為5000步。計(jì)算轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)時(shí)考慮流固耦合作用，需將流場(chǎng)仿真結(jié)果作為邊界條件加載到對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)部件處，流固交界處選擇流固耦合面。
1.4軸承動(dòng)力特性計(jì)算
環(huán)保泵轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算前，需要根據(jù)轉(zhuǎn)子實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)對(duì)軸承動(dòng)特性系數(shù)進(jìn)行定義。球軸承剛度計(jì)算公式[23]為
式中：K為軸承剛度，N/mm；Fr為徑向載荷，N；n為滾珠數(shù)量；d為滾珠直徑，mm；γ為滾珠接觸角。
展開(kāi) 普通雙葉螺旋槳的壓力波動(dòng)及噪聲解析
(2)
這里的T是時(shí)間
4．?dāng)?shù)值仿真計(jì)算方法
這里使用ANSYS Workbench 2023 R1創(chuàng)建計(jì)算網(wǎng)格，將螺旋槳直徑設(shè)置為代表長(zhǎng)度D，并設(shè)置直徑為5D、高度為5D的圓柱形區(qū)域作為計(jì)算域。在螺旋槳外側(cè)設(shè)置了自由空間，并將其上、側(cè)、下邊界條件全部設(shè)置為大氣壓開(kāi)放狀態(tài)，將螺旋槳葉片設(shè)置為無(wú)滑移壁面。螺旋槳轉(zhuǎn)速分別為40Hz、50Hz、60Hz。測(cè)量壓力波動(dòng)的點(diǎn)設(shè)置在距離軸心500mm半徑方向的位置。為了驗(yàn)證螺旋槳周圍的流場(chǎng)，我們?cè)谧杂煽臻g的計(jì)算網(wǎng)格上劃分了約503萬(wàn)個(gè)，在螺旋槳周圍的計(jì)算網(wǎng)格上劃分了約211萬(wàn)個(gè)，總網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)約為714萬(wàn)個(gè)。最小網(wǎng)格尺寸在螺旋槳壁面附近為0.8mm。接著使用商用計(jì)算軟件ANSYS CFX 2023 R1進(jìn)行了LES大渦模型數(shù)值分析，時(shí)間步長(zhǎng)為Δt=2.5×10^(-5)。除了葉片通過(guò)頻率（BPF）成分的噪音外，通過(guò)提高翼面附近的網(wǎng)格分辨率，也可以預(yù)測(cè)到寬帶噪音的情況。
對(duì)于流體噪聲源，定額轉(zhuǎn)速（f=40Hz、50Hz、60Hz）下的風(fēng)速最大值對(duì)應(yīng)的葉片轉(zhuǎn)速為Vmax=2πRf[m/s]。此時(shí)，以葉片外徑為基準(zhǔn)的雷諾數(shù)為4.2×10^5，馬赫數(shù)為Vmax/c。因此，流體噪聲源由二重極聲源主導(dǎo)。因此，我們著眼于作用在翼壁上的壓力波動(dòng)，并使用LES預(yù)測(cè)了由湍流引起的壓力波動(dòng)。
5．實(shí)驗(yàn)方法
5.1噪聲和聲壓實(shí)驗(yàn)
圖4是實(shí)驗(yàn)裝置的概要圖。實(shí)驗(yàn)中使用的動(dòng)力源是Cy-Captain公司生產(chǎn)的無(wú)刷電機(jī)CR23，螺旋槳為雙葉片，使用3D打印機(jī)和PLA樹(shù)脂制作。螺旋槳的直徑為150mm，中心半徑為7mm。
展開(kāi) 一期一會(huì) | 什么是湍流？
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一期一會(huì) | 從這里開(kāi)啟工程仿真的旅程
適用于渦輪機(jī)械應(yīng)用的穩(wěn)健且準(zhǔn)確的網(wǎng)格自適應(yīng)
此外，該過(guò)程變得更加“獨(dú)立于用戶”，因?yàn)?Fidelity Pointwise 網(wǎng)格生成軟件使用原始網(wǎng)格拓?fù)鋭?chuàng)建符合更新尺寸字段的網(wǎng)格，并與幾何模型、網(wǎng)格劃分參數(shù)和 CFD 求解器屬性保持一致。然后使用原始網(wǎng)格劃分算法通過(guò)更新的尺寸字段處理各種曲線、曲面和體積網(wǎng)格劃分操作。在初始用戶生成網(wǎng)格后，該過(guò)程完全自動(dòng)化，使用邊長(zhǎng)點(diǎn)云批量運(yùn)行以驅(qū)動(dòng)適應(yīng)。請(qǐng)注意，點(diǎn)云根本不需要對(duì)應(yīng)于網(wǎng)格；事實(shí)上，它應(yīng)該是一組完全獨(dú)立的點(diǎn)。使用適應(yīng)點(diǎn)云執(zhí)行自動(dòng)網(wǎng)格重新生成所需的增量計(jì)算時(shí)間是非常值得的。使用細(xì)化網(wǎng)格可以解析幾何形狀，提高網(wǎng)格質(zhì)量，并且近壁區(qū)域網(wǎng)格樣式保持一致。
網(wǎng)格自適應(yīng)示例
網(wǎng)格自適應(yīng)過(guò)程是通過(guò)結(jié)合 Fidelity Pointwise 網(wǎng)格生成軟件、ANSYS CFX 流求解器和 ISimQ 自適應(yīng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。后者根據(jù)流求解器結(jié)果計(jì)算 Fidelity Pointwise 的適應(yīng)點(diǎn)云并管理適應(yīng)周期?？紤]兩個(gè)測(cè)試用例。
(i) 加熱板上的二維軸對(duì)稱撞擊冷射流
模擬幾何結(jié)構(gòu)和流動(dòng)條件包括冷空氣射流從 26 毫米長(zhǎng)的管道中射出，撞擊到平坦的加熱下板上。適應(yīng)過(guò)程的初始網(wǎng)格由大約 15,000 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。網(wǎng)格具有各向異性近壁細(xì)化，近壁距離為0.5mm。初始網(wǎng)格的最大擴(kuò)展比為521，最大長(zhǎng)寬比為28,651。
圖 1. 五個(gè)循環(huán)后的自適應(yīng)網(wǎng)格（左）；九個(gè)循環(huán)后最終調(diào)整的網(wǎng)格（右）。
從初始網(wǎng)格開(kāi)始，獲得第一個(gè)解，并計(jì)算點(diǎn)的自適應(yīng)邊長(zhǎng)云。網(wǎng)格生成器將初始用戶定義的網(wǎng)格尺寸字段與邊長(zhǎng)點(diǎn)云相結(jié)合，以獲得整體網(wǎng)格尺寸字段。圖 1 顯示了五個(gè)周期后調(diào)整后的網(wǎng)格。此時(shí)，射流結(jié)構(gòu)和流動(dòng)梯度反映在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中。邊界層內(nèi)的高縱橫比網(wǎng)格保持與壁垂直，但在某些位置平行于壁進(jìn)行細(xì)化，根據(jù)需要減少截?cái)嗾`差。
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葉輪蓋板切割對(duì)中低比轉(zhuǎn)速離心泵水力性能的影響（上）
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件（ANSYS-CFX）用于預(yù)測(cè)離心泵的水力性能。兩個(gè)著名的湍流模型，即重整化群（RNG）k-ε模型和剪切應(yīng)力輸運(yùn)（SST）k-ω模型，用于預(yù)測(cè)流型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和非定常數(shù)值模擬與穩(wěn)態(tài)數(shù)值數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。在確保流場(chǎng)模擬方法的準(zhǔn)確性后，通過(guò)改變?nèi)~輪蓋板直徑對(duì)兩臺(tái)泵進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)值分析。綜合研究了幾何變化對(duì)性能曲線、效率、流場(chǎng)、泵內(nèi)部壓力分布以及作用于兩種泵類型的徑向力的影響。結(jié)果表明，蓋板切割降低了設(shè)計(jì)點(diǎn)的揚(yáng)程和效率。對(duì)施加在旋轉(zhuǎn)部件上的徑向力的檢查表明，在兩種泵類型中，由于葉輪出口周圍缺乏均勻的壓力分布，蓋板切割的葉輪比閉式葉輪承受更高的徑向力。因此，將獲得的相關(guān)信息用于修改現(xiàn)有系數(shù)以預(yù)測(cè)徑向力。
關(guān)鍵詞：離心泵；蓋板切割；實(shí)驗(yàn)研究；CFD；性能影響
1. 前言
葉輪切割是一種特殊技術(shù)，它可以減小離心泵葉輪的直徑，使葉輪在相同轉(zhuǎn)速下具有更小的直徑。在某些條件下，切割葉輪會(huì)使葉輪出口處的切向葉尖速度降低，從而使泵的工作狀態(tài)符合系統(tǒng)的要求，這也可以減少泵送系統(tǒng)的過(guò)度噪音或振動(dòng)。葉尖速度降低的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致傳遞給通過(guò)液體流的能量減少，從而導(dǎo)致泵產(chǎn)生的出口流量和揚(yáng)程下降（Karassik, 1989; Tsang, 1992; Hydraulic Institute and US Department of Energy, 2006）?？紤]到相似定律，切割方法必須滿足幾何和運(yùn)動(dòng)學(xué)的相似性。然而，葉輪切割改變了相似定律的非線性，到目前為止，葉輪切割與其遵守這些定律之間沒(méi)有定量關(guān)系（Li，2011）。圖1顯示了應(yīng)用于徑向葉輪的不同的眾所周知的典型切割方法（Gülich，2007）。該圖顯示了五只已經(jīng)切割的葉輪。
展開(kāi) 一期一會(huì) | 什么是渦輪機(jī)？
他們可以使用2D貫流工具（如Ansys Vista TF渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)軟件）來(lái)嘗試不同類型的流、級(jí)配置、定子選項(xiàng)以及入口和出口幾何結(jié)構(gòu)。
葉片和定子設(shè)計(jì)
在定義了流道后，下一步就是設(shè)計(jì)屬于每個(gè)級(jí)的渦輪葉片和定子。被稱為矢量圖的基本計(jì)算，可以讓工程師進(jìn)行初始估計(jì)。接下來(lái)，他們需要?jiǎng)?chuàng)建3D幾何結(jié)構(gòu)，并使用通用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）工具（如Ansys Fluent流體仿真軟件），或?qū)Ｓ糜跍u輪機(jī)械的CFD平臺(tái)（如Ansys CFX軟件）。工程師使用此類工具來(lái)指導(dǎo)改進(jìn)3D幾何結(jié)構(gòu)，以便在多種工況下優(yōu)化流體流動(dòng)的能量提取。葉片設(shè)計(jì)是一個(gè)隨著時(shí)間的推移而不斷改進(jìn)的迭代過(guò)程。
多級(jí)和瞬態(tài)組件設(shè)計(jì)
在完成葉片設(shè)計(jì)后，下一步是優(yōu)化靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)級(jí)的協(xié)同工作方式。工程師會(huì)調(diào)整每級(jí)的葉片和定子角度，使用渦輪機(jī)械專用工具（例如CFX軟件或Fluent軟件，這些工具可以對(duì)靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)區(qū)域進(jìn)行建模）的高級(jí)功能，來(lái)研究靜態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)隨時(shí)間變化的情況。
結(jié)構(gòu)和熱分析
設(shè)計(jì)渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分和靜態(tài)部分具有挑戰(zhàn)而且十分復(fù)雜，因?yàn)闇u輪在極端載荷條件下運(yùn)行，并且這些高載荷具有周期性特性。此外，高溫給燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽渦輪機(jī)帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，渦輪機(jī)遇到的循環(huán)壓力和旋轉(zhuǎn)載荷引起的振動(dòng)也是如此。大多數(shù)參與渦輪機(jī)設(shè)計(jì)的熱工程師和機(jī)械工程師都采用通用多物理場(chǎng)仿真工具，如Ansys Mechanical結(jié)構(gòu)有限元分析（FEA）軟件，以捕獲渦輪機(jī)中每個(gè)組件和總成的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和振動(dòng)行為。這包括對(duì)軸承、二次冷卻、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、輪盤應(yīng)力、葉片應(yīng)力、耐用性和熱應(yīng)力進(jìn)行仿真。工程師還可以將CFD工具（如CFX軟件）與結(jié)構(gòu)程序（如Mechanical軟件）耦合，以了解流體和結(jié)構(gòu)域之間的振動(dòng)相互作用。
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