ansys cfx軟件
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-03-07
ansys cfx軟件的實例教程
作者：Philipp Epple、Caslav Ilic
翻譯：上海安世亞太
Ansys CFX是渦輪機械性能研究的組成部分，主要研究徑向風扇設計。
流體力學研究所（Lehrstuhl für str?mungsmechanik,LSTM）成立了研究小組專注于渦輪機領域的研究和開發工作。這項工作包括基于綜合分析設計考慮的葉輪機械設計、數值性能研究、快速原型制作、原型葉輪和擴散器以及完整風扇的實驗研究。在徑向壓縮機領域已經進行了廣泛的研究和開發，重點是用于真空吸塵器應用的徑向風扇。Ansys CFX 10.0計算流體力學軟件是設計過程中不可缺少的一部分。
CAD模型
通過離心式渦輪機的流動，在旋轉葉輪的能量傳遞到氣流的區域內主要是徑向的。對于軸流風機來說，旋轉的葉輪在能量傳遞發生的區域內以軸向的方式通過。軸向鼓風機的運行也正在LSTM-Erlangen進行。
離心風機在許多方面與離心泵和離心壓縮機相似。這兩種機器的主要區別是泵推動的液體實際上是不可壓縮的，而壓縮機處理氣體的條件是流動流體的密度發生明顯變化。通常，風扇是處理低于1.1的壓縮比的設備，而鼓風機在1.1和4之間工作，而壓縮機在4的壓縮比以上工作。
在開發過程的第一步，LSTM-Erlangen的小組對現有的風扇進行性能研究，稍后將重新設計，達到更高的效率。這些性能研究是利用實際幾何形狀的CAD數據作為網格生成的基礎進行的。Ansys ICEM CFD軟件為復雜幾何形狀的快速網格生成提供了極好的工具。Ansys CFX提供了執行以下計算所需的所有多個參考框架工具：利用Ansys CFX軟件，易于對真空吸塵器徑向風機進行性能研究。用Ansys CFX進行CFD模擬，可以將來自試驗臺的流動通過葉輪和擴散器進入導葉，通過電機，再進入其后面的空間。
展開 上海安世亞太公司
Ansys CFX是渦輪機械性能研究的組成部分，主要研究徑向風扇設計。
流體力學研究所（Lehrstuhl für str?mungsmechanik,LSTM）成立了研究小組專注于渦輪機領域的研究和開發工作。這項工作包括基于綜合分析設計考慮的葉輪機械設計、數值性能研究、快速原型制作、原型葉輪和擴散器以及完整風扇的實驗研究。在徑向壓縮機領域已經進行了廣泛的研究和開發，重點是用于真空吸塵器應用的徑向風扇。Ansys CFX 10.0計算流體力學軟件是設計過程中不可缺少的一部分。
CAD模型
通過離心式渦輪機的流動，在旋轉葉輪的能量傳遞到氣流的區域內主要是徑向的。對于軸流風機來說，旋轉的葉輪在能量傳遞發生的區域內以軸向的方式通過。軸向鼓風機的運行也正在LSTM-Erlangen進行。
離心風機在許多方面與離心泵和離心壓縮機相似。這兩種機器的主要區別是泵推動的液體實際上是不可壓縮的，而壓縮機處理氣體的條件是流動流體的密度發生明顯變化。通常，風扇是處理低于1.1的壓縮比的設備，而鼓風機在1.1和4之間工作，而壓縮機在4的壓縮比以上工作。
在開發過程的第一步，LSTM-Erlangen的小組對現有的風扇進行性能研究，稍后將重新設計，達到更高的效率。這些性能研究是利用實際幾何形狀的CAD數據作為網格生成的基礎進行的。Ansys ICEM CFD軟件為復雜幾何形狀的快速網格生成提供了極好的工具。Ansys CFX提供了執行以下計算所需的所有多個參考框架工具：利用Ansys CFX軟件，易于對真空吸塵器徑向風機進行性能研究。用Ansys CFX進行CFD模擬，可以將來自試驗臺的流動通過葉輪和擴散器進入導葉，通過電機，再進入其后面的空間。
展開 針對發生沖蝕磨損的葉輪機械，借助ANSYS CFD軟件能分析葉輪內部氣流速度場、氣流壓力場、葉片溫度場的分布規律；利用離散相模型能研究葉輪內部的氣固兩相流動，分析顆粒直徑對顆粒運行軌跡、運動速度、偏聚濃度及造成葉片沖蝕分布的影響規律。
以下比較了兩種熱氣膨脹器設計的侵蝕率。
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渦輪機械的一個子集，通常會持續受到嚴重的侵蝕破壞。
催化裂化過程通過使用粉狀催化劑，再加上高溫，將高分子量的石油碳氫化合物轉化為更有價值的石油產品，包括汽油。整個過程通常在煉油廠連續運行長達幾個月。
煙氣是催化裂化過程的副產品，它會通過分離器去除90%的催化劑顆粒，然后再通過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械，它回收殘留在煙氣中的相當大一部分的壓力和熱能，并用它來驅動工藝設備或發電。
除了有較高的進口溫度，單級FCC熱氣膨脹器的特點是一個大的壓力比，通常是3比1。FCC熱氣膨脹器的渦輪葉片同時受到大量的氣動和熱應力，這加劇了殘余固體催化劑顆粒造成的侵蝕破壞。
強大的分析技巧提供解決方案
計算流體力學(CFD)在葉輪機械流道優化設計中已應用多年。ANSYS CFX軟件包括在流體領域跟蹤固體顆粒的能力，以及預測固體顆粒的侵蝕在理論模型中的應用。
機械設計人員可以利用這些模型來量化通道壁和葉片的潛在損傷。此外，用戶還可以根據腐蝕情況判斷設計變更的效果。
展開 本文以自主研發的某型雙葉片環保泵為研究對象，采用ANSYS CFX和Workbench，基于流固耦合對比分析了不同軸承剛度下轉子系統模態振型、固有頻率及臨界轉速，為類似泵轉子軸承選擇以及結構優化設計提供一定參考。
1 數值計算模型及方法
1.1結構與參數
雙葉片環保泵的結構如圖1所示，轉子系統包括泵軸、前軸承、后軸承、機械密封及葉輪。主要設計參數如下：流量Qd=400m3/h；揚程Hd=14m；轉速n=1470r/min。
1.2三維造型與網格劃分
采用三維軟件對雙葉片環保泵的全流道水體（進水段、葉輪、蝸殼、出水段）進行建模，導入ANSYS Meshing軟件進行網格劃分（如圖2）。選擇網格數對泵效率的影響進行無關性驗證（如圖3），確定流體域網格總數約為254萬。
轉子結構離散化網格數量42萬，網格節點46萬，網格模型如圖4所示，潛污泵葉輪材料選擇鑄鐵，泵軸材料選擇45鋼。
1.3邊界調節及求解設置
采用ANSYS-CFX軟件對雙葉片環保泵進行全流道數值模擬，由于雙葉片環保泵內部流動復雜，存在旋轉剪切流動和漩渦流動，湍流模型選擇RNGk-ε模型。交界面選擇frozenrotor，進口邊界選擇質量流量，出口邊界選擇靜壓。收斂精度設置為10-6，計算步長為5000步。計算轉子動力學時考慮流固耦合作用，需將流場仿真結果作為邊界條件加載到對應轉子結構部件處，流固交界處選擇流固耦合面。
1.4軸承動力特性計算
環保泵轉子臨界轉速計算前，需要根據轉子實際運行狀態對軸承動特性系數進行定義。球軸承剛度計算公式[23]為
式中：K為軸承剛度，N/mm；Fr為徑向載荷，N；n為滾珠數量；d為滾珠直徑，mm；γ為滾珠接觸角。
展開 低氮燃燒器改造和優化調整
01
改造前模擬計算與分析
借助ANSYSCFX流體分析軟件，對裂解爐底部燃燒器、側壁燃燒器和爐膛整體進行數據模擬計算，在模擬時考慮了燃燒器的布置位置、供熱比例和燃料氣組成，給出了輻射段爐膛、底部燃燒器和側壁燃燒器內的流動依據溫度分布情況，具體情況如下圖。
ANSYSCFX流體分析軟件模擬計算結果表明：裂解爐低氮燃燒器改造后，裂解爐爐膛內火焰形狀和溫度場未發生本質性改變，故改造具有可行性。
02
改造后運行過程中存在的主要問題
揚子乙烯裝置裂解爐在正常運行時，根據裂解原料不同，其運行周期在50~150d，運行周期內主要操作有：點火升溫、投料操作、日常穩定運行，退料燒焦和降溫停爐等幾個過程。在裂解爐燃燒器改造后投用過程中，發現以下幾方面問題：
1）在裂解爐點火升溫過程中，裂解爐輻射段出口溫度400~760℃熱備狀態，經跟蹤監測，發現在此期間裂解爐煙道出口NOx排放不合格。
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接下來，他們需要創建3D幾何結構，并使用通用計算流體力學（CFD）工具（如Ansys Fluent流體仿真軟件），或專用于渦輪機械的CFD平臺（如Ansys CFX軟件）。工程師使用此類工具來指導改進3D幾何結構，以便在多種工況下優化流體流動的能量提取。葉片設計是一個隨著時間的推移而不斷改進的迭代過程。
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CFD軟件解決方案，如Ansys Fluent流體仿真軟件和Ansys CFX CFD軟件等，可通過首先確定流體何時從層流轉變為湍流來預測湍流。當湍流存在時，求解器使用各種簡化方程來計算湍流引起的速度、壓力、溫度和渦流。
工程師可以對混合不同材料或極其復雜的多物理場模型進行相對簡單的流動仿真，其中包括層流和湍流對光學、熱和結構性能的影響。
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采用ANSYS-CFX軟件對雙葉片環保泵進行全流道數值模擬，由于雙葉片環保泵內部流動復雜，存在旋轉剪切流動和漩渦流動，湍流模型選擇RNGk-ε模型。交界面選擇frozenrotor，進口邊界選擇質量流量，出口邊界選擇靜壓。收斂精度設置為10-6，計算步長為5000步。
ANSYSCFX流體分析軟件模擬計算結果表明：裂解爐低氮燃燒器改造后，裂解爐爐膛內火焰形狀和溫度場未發生本質性改變，故改造具有可行性。
Ansys CFX提供了執行以下計算所需的所有多個參考框架工具：利用Ansys CFX軟件，易于對真空吸塵器徑向風機進行性能研究。用Ansys CFX進行CFD模擬，可以將來自試驗臺的流動通過葉輪和擴散器進入導葉，通過電機，再進入其后面的空間。從計算結果中可以得到非常詳細的信息， 這些信息可以用來與實驗研究中得到的相應結果進行比較。
Ansys CFX提供了執行以下計算所需的所有多個參考框架工具：利用Ansys CFX軟件，易于對真空吸塵器徑向風機進行性能研究。用Ansys CFX進行CFD模擬，可以將來自試驗臺的流動通過葉輪和擴散器進入導葉，通過電機，再進入其后面的空間。從計算結果中可以得到非常詳細的信息， 這些信息可以用來與實驗研究中得到的相應結果進行比較。
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利用ANSYS CFX 軟件的統一網格接口可以在ANSYS 和ANSYS CFX 之間傳遞FSI 載荷，所有流固耦合問題的結果的魯棒性和精度獲得了改進。界面載荷傳遞技術的突破，很明顯的好處就在于讓同一團隊的FEA 和CFD 專家共享信息更方便。在新版中流固耦合的領域也得到了擴展。
渦輪系統一體化解決方案
ANSYS WORKBENCH 環境提供了旋轉機械設計過程所需的幾何設計和分析的集成系統。
大家可以通過業內一些公司的舉動感受到這一點，例如，ANSYS公司收購CFX流體軟件，并加強與EMSS，公司的合作，不斷加強其多物理場耦合的功能。在這里需要提到的是，由于歷史原因，ALGOR繼承了SAP的模塊化思想，在多物理場分析方面也有很好的應用；同源于SAP的ADINA在流固耦合上則非常有特色。
