ansys cfx軟件的案例
仿真案例｜使用Ansys CFX提高真空吸塵抽風機效率
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(lǐng)域的研究和開發(fā)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(shù)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(lǐng)域已經(jīng)進行了廣泛的研究和開發(fā)，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(zhuǎn)葉輪的能量傳遞到氣流的區(qū)域內(nèi)主要是徑向的。對于軸流風機來說，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。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(qū)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(fā)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(fā)過程的第一步，LSTM-Erlangen的小組對現(xiàn)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(shù)據(jù)作為網(wǎng)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(wǎng)格生成提供了極好的工具。Ansys CFX提供了執(zhí)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 仿真案例｜提高真空吸塵抽風機效率
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(lǐng)域的研究和開發(fā)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(shù)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(lǐng)域已經(jīng)進行了廣泛的研究和開發(fā)，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(zhuǎn)葉輪的能量傳遞到氣流的區(qū)域內(nèi)主要是徑向的。對于軸流風機來說，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。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(qū)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(fā)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(fā)過程的第一步，LSTM-Erlangen的小組對現(xiàn)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(shù)據(jù)作為網(wǎng)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(wǎng)格生成提供了極好的工具。Ansys CFX提供了執(zhí)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 預測渦輪機械沖蝕率
針對發(fā)生沖蝕磨損的葉輪機械，借助ANSYS CFD軟件能分析葉輪內(nèi)部氣流速度場、氣流壓力場、葉片溫度場的分布規(guī)律；利用離散相模型能研究葉輪內(nèi)部的氣固兩相流動，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(guī)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(yè)渦輪機械的一個子集，通常會持續(xù)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(zhuǎn)化為更有價值的石油產(chǎn)品，包括汽油。整個過程通常在煉油廠連續(xù)運行長達幾個月。
煙氣是催化裂化過程的副產(chǎn)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(qū)動工藝設備或發(fā)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(yōu)化設計中已應用多年。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(jù)腐蝕情況判斷設計變更的效果。
展開 軸承剛度對雙葉片環(huán)保泵轉(zhuǎn)子動力學特性的影響分析
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(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)化設計提供一定參考。
1 數(shù)值計算模型及方法
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、機械密封及葉輪。主要設計參數(shù)如下：流量Qd=400m3/h；揚程Hd=14m；轉(zhuǎn)速n=1470r/min。
1.2三維造型與網(wǎng)格劃分
采用三維軟件對雙葉片環(huán)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(wǎng)格劃分（如圖2）。選擇網(wǎng)格數(shù)對泵效率的影響進行無關(guān)性驗證（如圖3），確定流體域網(wǎng)格總數(shù)約為254萬。
轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)離散化網(wǎng)格數(shù)量42萬，網(wǎng)格節(jié)點46萬，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)及求解設置
采用ANSYS-CFX軟件對雙葉片環(huán)保泵進行全流道數(shù)值模擬，由于雙葉片環(huán)保泵內(nèi)部流動復雜，存在旋轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhuǎn)子動力學時考慮流固耦合作用，需將流場仿真結(jié)果作為邊界條件加載到對應轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)部件處，流固交界處選擇流固耦合面。
1.4軸承動力特性計算
環(huán)保泵轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算前，需要根據(jù)轉(zhuǎn)子實際運行狀態(tài)對軸承動特性系數(shù)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(shù)量；d為滾珠直徑，mm；γ為滾珠接觸角。
展開 
揚子石化│乙烯裝置裂解爐低氮燃燒器改造及運行探討
低氮燃燒器改造和優(yōu)化調(diào)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(cè)壁燃燒器和爐膛整體進行數(shù)據(jù)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(cè)壁燃燒器內(nèi)的流動依據(jù)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(jié)果表明：裂解爐低氮燃燒器改造后，裂解爐爐膛內(nèi)火焰形狀和溫度場未發(fā)生本質(zhì)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(jù)裂解原料不同，其運行周期在50~150d，運行周期內(nèi)主要操作有：點火升溫、投料操作、日常穩(wěn)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(fā)現(xiàn)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(tài)，經(jīng)跟蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在此期間裂解爐煙道出口NOx排放不合格。
展開 《高級有限元仿真》(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，可以用更少的時間獲得復雜多物理問題的解決，并且擴展了仿真的應用領(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，所有流固耦合問題的結(jié)果的魯棒性和精度獲得了改進。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隊的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)機械設計過程所需的幾何設計和分析的集成系統(tǒng)。ANSYSWORKBENCH，作為高級物理問題的集成平臺，能夠讓設計人員建立旋轉(zhuǎn)機械的模型，比如水泵、壓縮機、風扇、吹風機、渦輪、膨脹器、渦輪增壓器和鼓風機。ANSYS 解決方案集成到設計過程，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，可用于空氣動力學中。新的網(wǎng)格劃分方法提供了對塊（結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方法）的靈活性和控制，易于使用的自動（非結(jié)構(gòu)化）網(wǎng)格方法。半自動多區(qū)網(wǎng)格算法允許用戶在面和體上對網(wǎng)格進行總體控制，邊界上通過映射或者掃描塊提供了純六面體網(wǎng)格，而內(nèi)部過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)量的自動化網(wǎng)格。
ANSYS ICEM CFD 和AI ENVIRONMENT產(chǎn)品也回答了古老的問題：“我應該用四面體劃網(wǎng)還是花更多的時間用六面體劃網(wǎng)”。
展開 一期一會 | 什么是渦輪機？
他們可以使用2D貫流工具（如Ansys Vista TF渦輪機械設計軟件）來嘗試不同類型的流、級配置、定子選項以及入口和出口幾何結(jié)構(gòu)。
葉片和定子設計
在定義了流道后，下一步就是設計屬于每個級的渦輪葉片和定子。被稱為矢量圖的基本計算，可以讓工程師進行初始估計。接下來，他們需要創(chuàng)建3D幾何結(jié)構(gòu)，并使用通用計算流體力學（CFD）工具（如Ansys Fluent流體仿真軟件），或?qū)Ｓ糜跍u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(jié)構(gòu)，以便在多種工況下優(yōu)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。
多級和瞬態(tài)組件設計
在完成葉片設計后，下一步是優(yōu)化靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)級的協(xié)同工作方式。工程師會調(diào)整每級的葉片和定子角度，使用渦輪機械專用工具（例如CFX軟件或Fluent軟件，這些工具可以對靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)區(qū)域進行建模）的高級功能，來研究靜態(tài)和瞬態(tài)流動隨時間變化的情況。
結(jié)構(gòu)和熱分析
設計渦輪機的旋轉(zhuǎn)部分和靜態(tài)部分具有挑戰(zhàn)而且十分復雜，因為渦輪在極端載荷條件下運行，并且這些高載荷具有周期性特性。此外，高溫給燃氣輪機和蒸汽渦輪機帶來了獨特的挑戰(zhàn)，渦輪機遇到的循環(huán)壓力和旋轉(zhuǎn)載荷引起的振動也是如此。大多數(shù)參與渦輪機設計的熱工程師和機械工程師都采用通用多物理場仿真工具，如Ansys Mechanical結(jié)構(gòu)有限元分析（FEA）軟件，以捕獲渦輪機中每個組件和總成的靜態(tài)、動態(tài)和振動行為。這包括對軸承、二次冷卻、轉(zhuǎn)子動力學、輪盤應力、葉片應力、耐用性和熱應力進行仿真。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)域之間的振動相互作用。
展開 CAE軟件在制造業(yè)的應用分析
2 應用狀況
目前，CAE軟件在國內(nèi)主要應用于汽車、電子、航空航天，土木工程、石油等行業(yè)，在汽車行業(yè)的應用尤為廣泛。軟件的類型主要包括通用前后處理軟件、通用有限元求解軟件和行業(yè)專用軟件。汽車行業(yè)在國外是有限元軟件的主要應用行業(yè)，其所涉及的專業(yè)領(lǐng)域相當廣泛，并且應用歷史長、應用成熟度高。
目前，國內(nèi)常見的前后處理軟件包括Altair公司的HyperMesh、EDS公司的邢MAP和MSC公司的Patran，這些軟件在美國的汽車廠商中都有著廣泛的應用。由于有限元技術(shù)的特點，使得前處理成為了一個相對獨立，而又十分重要的部分。一些大型企業(yè)都采用了適應自己需求的前后處理軟件。這些前后處理軟件都具有良好的接口，可與眾多的有限元求解軟件相結(jié)合，以便用戶更快、更方便地解算問題。
求解軟件可以說是琳瑯滿目，通常的求解軟件包括：ABAQUS、ADINA、ALGOR；ANSYS、 COsmOs、 MSC／NASTRAN、 MSC／MARC、 NEI／NASTRAN。這些軟件都有著各自的特點，在行業(yè)內(nèi)，一般將其分為線性分析軟件和非線性軟件，例如ANSYS、ALGOR都在線性分析方面具有自己的優(yōu)勢，而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC則在非線性分析方面各具特點，其中ABAQUS被認為是最優(yōu)秀的非線性求解軟件。
近年來，分析軟件正朝著多物理場的方向發(fā)展。大家可以通過業(yè)內(nèi)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。
展開 一期一會 | 什么是湍流？
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