ansys壓縮機流體仿真的案例
ANSYS CFX 壓縮機仿真-離心壓縮機葉輪
本文利用CFX模擬離心壓縮機葉輪的氣動性能。
注：本文采用CFX 2019R2進行演示
1 幾何模型
幾何模型來自ANSYS-CFX的教程文檔。下圖是幾何模型的示意圖。這個葉輪有24個葉片，以22360rpm的轉速繞Z軸旋轉。
△ 幾何模型示意圖
2 BladeGen定義幾何
啟動Workbench 2019 R2，將BladeGen模塊拖入工程視圖，右擊
A2：Blade Design→Properties，在屬性面板中設置如下圖所示
△ 屬性設置
加載創建好的葉輪。
ANSYS Fluent 壓縮機仿真｜離心壓縮機計算
本案例演示利用Fluent計算離心式壓縮機內部流程并實現參數化的一般流程。
1 問題描述
要計算的壓縮機如下圖所示。
其包含6個主葉片及6個分流葉片，只計算單流道模型，如下圖所示。
流體介質為空氣，葉輪轉速155733 rpm，沿z軸旋轉。
2 計算流程
啟動Workbench，讀取文件
TurbochargerCompressorFluentStartingPoint.wbpz
添加Fluent模塊，計算模塊如下圖所示
雙擊
D2單元格進入Fluent
3 Fluent計算
3.1 General設置
進入
General設置面板，保持默認設置
設置
angular-velocity的單位為
rev/min
3.2 Models設置
開啟能量方程
選擇使用
SST k-omega湍流模型
3.3 Materials設置
指定密度為
ideal-gas，指定粘度為
sutherland
Sutherland對話框采用默認設置。
展開 ANSYS CFX-壓縮機CFD仿真流程
CFX-壓縮機仿真
壓縮機的仿真涉及到的是可壓縮流體的一個仿真，所以本次的課程主要涉及到的是可壓縮流體的一個仿真流程。
壓縮機仿真：補氣式滾動轉子壓縮機的CFD仿真及優化研究
空調、制冷行業的快速發展，極大地推動了壓縮機技術的發展，對于我國北方等低溫地區，隨著室外溫度降低，壓縮機壓縮比增大、蒸發溫度降低等，存在低溫環境下制熱能力下降的難題，其中，中間補氣技術是熱泵低溫環境有效克服低溫環境的有效措施之一；補氣技術也由此越來越引起壓縮機制造企業的重視，對提高企業壓縮機產品的綜合競爭力具有十分重要的意義。
單缸滾動轉子壓縮機的補氣是通過在壓縮腔中增加補氣口，通過引入中壓流體形成對壓縮腔進行噴射補氣。圖1為該類壓縮機的補氣增焓結構圖，滾動轉子壓縮機的工作過程中包括了吸氣和壓縮過程，而補氣是針對壓縮過程補氣，將補氣孔設置在與壓縮腔連通的排氣孔附近，而為了防止補氣流體回流，可以設置簧 片閥等止回閥結構，當補氣流體壓力大于壓縮腔內的流體壓力時打開補氣孔進行補氣，稱為準二級壓縮形式。準二級壓縮的滾動轉子壓縮可有效解決壓縮機在低溫工況下排氣溫度過高和制熱量不足等問題，已經成為解決低溫工況下空氣源熱泵性能衰減的重要技術途徑。由于補氣口開在排氣口附近的氣缸壁上，將不可避免有一段補氣口和吸氣口串通的時間，在這段時間內，補氣口噴射出來的中壓流體回流至吸氣管，導致壓縮機的容積效率下降；為了克服上述技術問題，根據滾動轉子壓縮機中設置有往復運動的滑片結構，發展出了一種將補氣通道開設在滑片上的補氣結構，如圖1（b）所示，將補氣通道直接設置在滑片上，并將補氣通道的端部距離滑片端部一定距離設置，通過該距離的設定可以實現在吸氣階段不進行補氣而在壓縮階段才開始補氣，防止了噴射氣體的回流，更好地適應滾動轉子壓縮機的工作過程，提高了補氣效果。
展開 
ANSYS Forte對容積式壓縮機的仿真優勢及應用
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容積式壓縮機作為一種通用流體機械得到廣泛應用，相對于速度式壓縮機具有適應性強、壓力比高和熱效率高等優點。常見的容積式壓縮機如往復式、螺桿式、渦旋式及轉子式等，隨著氣腔容積的由小到大再變小，發生周期性的變化，完成吸氣、壓縮和排氣過程。
隨著數值計算技術的飛速發展，仿真技術在工業領域的應用逐漸深入，越來越多的企業開始嘗試運用仿真的手段解決其工業產品的性能等關鍵問題，以減少試驗次數，降低樣件試制成本，提高產品穩定性與可靠性來進一步提升市場競爭力。那么如何運用合適的CAE軟件進行高效的仿真顯得尤為重要。
ANSYS Forte 結合了CHEMKIN-PRO求解器技術的內燃機CFD仿真工具包，含有多組分燃燒模型并結合復雜的噴霧動力學，可以在短時間內完成詳細化學的計算，能夠對幾乎任意燃料的內燃機進行穩健并精確的計算，同時在新版本中推出了針對于容積式壓縮機的分析方法，本文主要圍繞新功能而展開，讓大家能夠更直觀地了解Forte在模擬壓縮機運行過程中的一些較為突出的功能優勢。
CFD難點分析
容積式壓縮機結構復雜，其空腔容積會周期性的變化，流體的可壓縮高。動靜壁面間存在狹小的間隙（一般都是幾十個微米的大小，甚至更小），影響泄露；且出口排氣流動復雜，會影響壓縮機的流動、氣液分離、振動與噪聲等性能。因此在對這類旋轉機械的網格處理上必然會遇到挑戰，網格的數量、質量、動網格的應用都直接影響到計算結果的精度和準確性。
展開 ANSYS Forte對容積式壓縮機的仿真優勢及應用
容積式壓縮機作為一種通用流體機械得到廣泛應用，相對于速度式壓縮機具有適應性強、壓力比高和熱效率高等優點。常見的容積式壓縮機如往復式、螺桿式、渦旋式及轉子式等，隨著氣腔容積的由小到大再變小，發生周期性的變化，完成吸氣、壓縮和排氣過程。
隨著數值計算技術的飛速發展，仿真技術在工業領域的應用逐漸深入，越來越多的企業開始嘗試運用仿真的手段解決其工業產品的性能等關鍵問題，以減少試驗次數，降低樣件試制成本，提高產品穩定性與可靠性來進一步提升市場競爭力。那么如何運用合適的CAE軟件進行高效的仿真顯得尤為重要。
ANSYS Forte 結合了CHEMKIN-PRO求解器技術的內燃機CFD仿真工具包，含有多組分燃燒模型并結合復雜的噴霧動力學，可以在短時間內完成詳細化學的計算，能夠對幾乎任意燃料的內燃機進行穩健并精確的計算，同時在新版本中推出了針對于容積式壓縮機的分析方法，本文主要圍繞新功能而展開，讓大家能夠更直觀地了解Forte在模擬壓縮機運行過程中的一些較為突出的功能優勢。
CFD難點分析
容積式壓縮機結構復雜，其空腔容積會周期性的變化，流體的可壓縮高。動靜壁面間存在狹小的間隙（一般都是幾十個微米的大小，甚至更小），影響泄露；且出口排氣流動復雜，會影響壓縮機的流動、氣液分離、振動與噪聲等性能。因此在對這類旋轉機械的網格處理上必然會遇到挑戰，網格的數量、質量、動網格的應用都直接影響到計算結果的精度和準確性。
展開 ANSYS Forte對容積式壓縮機的仿真優勢及應用
容積式壓縮機內部涉及到可壓縮的高流速動與多相流，由于相間作用復雜、界面捕捉困難、氣液比高等問題，通過仿真解決壓縮機內部的多相流問題存在較大困難，另外壓縮機運行過程中存在的共軛傳熱、流固耦合等問題，均對CFD求解器在求解設置和收斂性上有較高要求。
壓縮機的運行是一個動態過程，因此在模擬時多采用非穩態的仿真計算，但由于較小的時間步長和比較大的求解區域，會導致計算時間長、計算量大等問題；同時想要得到動態的溫度和壓力分布，后處理也會較為復雜。
ANSYS Forte在容積式壓縮機仿真中的優勢
傳統的ANSYS CFX 或 ANSYS Fluent對容積式壓縮機的仿真均采用動網格來處理，即在每一個時間步長下網格的節點位置更新一次。ANSYS Forte在求解時采用3D瞬態可壓縮的流動，網格自動生成且不需要提前生成網格，可用于計算往復式活塞壓縮機、螺桿式壓縮機和渦旋式壓縮機等多種壓縮機形式。
在仿真過程當中，Forte可以自動檢測面與面之間小的間隙并進行網格加密處理，同時采用經驗間隙模型（Empirical gap model）來補償間隙中分辨率差的網格。當研究間隙大小對壓縮機的性能影響時，我們不需重新建立不同間隙大小的幾何模型，來對比不同尺寸下的間隙流動特征，而直接通過基于泊肅葉流動剪切應力的經驗間隙模型來得到間隙內的流動特征，從而解決了間隙網格質量差帶來的問題，同時不影響計算速度以及精度。
展開 壓縮機仿真學習：離心壓縮機參數辨識
文章來源：壓縮機網
仿真案例｜使用Ansys綜合設計提高曝氣壓縮機的效率
接下來，工程師使用Ansys Vista TF對二維葉片排設計進行了評估。通流解以較少的計算工作量捕獲了全三維流動模擬的許多特征。在此階段執行了一個附加步驟，去優化葉輪中的葉片。在這一階段，大陸工業公司的工程師檢查了20種不同的設計，只對參數做了很小的改動，但在預計的效率方面獲得了顯著的改進。
完整三維壓縮機設計
下一步涉及將葉輪集成到完整的三維壓縮機中。Continental Industrie工程師在SolidWorks?計算機輔助設計軟件中制作出完整流道的幾何形狀，包括入口導葉、葉輪、擴壓器和泵殼。他們將幾何形狀導入Ansys DesignModeler后，Ansys網格平臺生成泵殼套管流體體積內的網格，Ansys TurboGrid自動生成所有葉片部件--進氣導葉、葉輪和擴壓器的六面體網格。利用Ansys CFX計算流體力學(CFD)軟件最大限度地降低擴散器和泵殼的流動損失，工程師們利用Ansys DesignXplorer進行了另一個約有250個設計的實驗，對系統進行了重新優化。
5 利用Ansys CFX計算中跨壓力場
6 通過壓縮機的總壓力變化
結構設計
為評估葉輪、輪和其他機械部件的應力水平和變形，工程師還使用Ansys Workbench將Ansys CFD的壓力和溫度預測與Ansys Mechanical連接起來。結構模擬揭示了初始葉輪設計經歷了超過葉輪材料屈服強度的應力值，因此工程師增加了葉片厚度，確保可靠性。在三種質量流率下進行了額外的CFD計算，檢驗新設計。利用Ansys Mechanical提供的葉輪變形結果，避免葉輪葉尖與護罩的接觸。對旋轉葉輪的振動特性進行了模態分析，確保其在正常工作條件下不會產生任何共振頻率。
展開 螺桿壓縮機仿真：Simerics 螺桿壓縮機網格模板介紹
針對螺桿壓縮機結構復雜、泄露間隙小，且仿真過程中存在高質量網格生成困難、耗時長的問題，流體機械和系統虛擬仿真軟件Simerics-MP/MP+配備了專業的螺桿壓縮機網格模板，可以根據螺桿壓縮機結構特點（如：螺桿軸的類型是否存在截面變化、橫向運動方式、間隙尺寸等）一鍵生成高質量的網格。
圖2 螺桿壓縮機一鍵式網格生成界面
Simerics-MP/MP+ 網格技術
高度自適應的二叉樹笛卡爾網格技術：
Simerics軟件擁有自動化的笛卡爾網格生成器，有助于便利的生成CFD求解器可以高效求解的高質量網格。該網格生成器采用專有的幾何等角自適應二元樹（CAB）算法。CAB算法在由封閉表面構成的體域生成迪卡爾網格，在靠近幾何邊界，CAB自動調整網格來適應幾何曲面和幾何邊界線。為了適應關鍵性的幾何特征，CAB通過不斷的分裂網格來自動的調整網格大小，這是利用最小的網格分辨細節特征的最有效方法。
Simerics-MP+運動機械模板網格技術
：
針對不同的運動機械模型，提供了一個模板化的網格生成器，通過一鍵式的操作專門生成運動機械轉子部分的網格，如齒輪箱嚙合齒輪、離心泵、新月泵、滾動活塞壓縮機、螺桿壓縮機等的網格。這里主要
介紹Simerics軟件中螺桿壓縮機網格模板的使用。
展開 壓縮機仿真學習：影響離心壓縮機特性曲線的參數，你了解過嗎?
5能量傳遞與壓力升高
由于流體的能量與質量流量成正比，壓縮機壓力升高時，通過能量傳遞會對進口溫度，比熱容等多個因素產生影響。為了建立流量壓力升高的模型，也要考慮喘振工況，其值決定了旋轉葉片在反方向提供給流體的阻力。在流量為負時，壓縮機可以認作是偏正壓力的節流裝置。在壓縮機實際工作中，為了生產安全的需要，應當盡量避免進入喘振區，同時，負流量在實際中無法測量，在工程上只需要畫出正流量時的出口特性曲線。
6離心壓縮機的出口溫度
離心壓縮機通過葉輪的高速旋轉對氣體做功，使氣體的壓力得到提高，同時氣體的溫度也隨之提高。如果在轉速一定，入口條件也一定的情況下，壓縮機的溫度比是一個定值。
7離心壓縮機模型的仿真及入口參數的影響
反映離心壓縮機級的主要參數為壓力比、效率及流量。為了便于把級性能清晰地表示出來，常常在一定的進口氣體狀態及某個轉速下，用不同流量時的級壓力或出口壓力、級效率與進口流量表示出來。若忽略動能的變化，葉輪對氣體所做的功主要用來提高氣體的壓力和克服流動損失。所以，要知道不同流量下壓力提高的情況，還要知道不同流量下流動損失的大小。
在設計工況下，氣流方向基本上和葉片方向一致，分離沖擊損失小；當流量增大或減小時，分離沖擊損失增大。
展開 
Simcenter Amesim在流體部件開發上的應用--液壓泵/壓縮機
泵模型能夠綜合分析影響它的性能的現象，例如：
泵柱塞的運動學
配油盤的開口設計（包括槽口的預緩沖槽）
當出現空化和氣穴現象時，尤其是在高轉速運行時，內部泄漏和粘性摩擦力以及流體壓縮性會顯著增加。上述模擬模型允許用戶優化泵設計，以減少流量和扭矩波動，改善NVH特性和效率，并確保在整個工作范圍內穩定調節排量。
有許多論文介紹了Simcenter Amesim在軸向柱塞泵設計和優化中的應用（如參考文獻3、4、5、6、7）。
4.2往復式壓縮機
往復式壓縮機是一種帶有沖程活塞的容積式機器，用于壓縮氣體并在高壓下輸送氣體。活塞由曲柄機構驅動。幾乎每個工業工廠都有壓縮機，用于產生壓縮空氣提供給不同的加工設備、氣體儲存和傳輸系統以及石油和天然氣行業使用。它們可以是單向作用或雙向作用設計。雙向作用設計的特點是在伸展和縮回過程中，活塞兩側都會發生壓縮。在高壓縮比的情況下，多個壓縮機串聯工作可實現多級壓縮。在壓縮過程中，溫度迅速升高，因此需要按比例調整熱交換器的尺寸，以避免過熱。
Simcenter Amesim當前的應用顯示了一種雙向壓縮機，具有兩級和兩個熱交換器（中間冷卻器和后冷卻器），用于溫度冷卻。
上述仿真模型允許用戶通過預測扭矩需求、了解氣體管線動態、減少泵送損失（摩擦、泄漏）和改善壓縮機傳動系統動態（模態振型、頻率響應）來改善壓縮機性能。
Simcenter Amesim使用戶能夠根據體積變化、入口和出口流速以及內部壓力評估每個腔室的性能。
在每個壓縮機的出口處，用戶可以驗證溫度水平、壓力脈動以及氣動管線對這些振蕩的阻尼或放大的影響。
展開 多級離心壓縮機滿負荷試驗中的流體激振問題
這是因為壓縮機排氣給了恒定壓力作為邊界條件。
壓縮機排氣CFD分析模型
[Case-1] 壓縮機 Pd = 6.7 Mpa（恒定）
[Case-2] 基于壓力脈動測量，壓縮機 Pd 隨流量波動。
壓縮機CFD分析結果：
激振力和合成振動幅值
在第 8 個葉輪上由 Fr 以 60Hz 激發，
計算激勵，其合成振動幅度為 7.3um (p-p)，與實際 SSV 幅度相似。
總 結
總結
根據 CFD，如果壓縮機排氣壓力因車間管道的外力而波動，作用在轉子上的力會增加。
Case 2 分析表明觀察到不同的頻率，例如 110Hz，即使壓縮機排氣僅在 65Hz 波動。
振動幅值由第 8 級葉輪 65Hz 的激振力計算得出，在探頭位置產生 7.3μm，與實際水平（6.5μm）非常相似。
展開 【流體機械專欄】考慮簧 片閥耦合的往復活塞壓縮機三維瞬態CFD分析
在已有往復式壓縮機系統的建模中，大部分都是使用一維或零維模型。
往復式壓縮機通常有三個獨立的運動部件:具有規律運動的活塞，根據作用在其上的壓力而動態開啟的進氣閥和排氣閥。壓縮機活塞和進出口閥片在運行時相互作用，閥片動力學對壓縮機系統的效率和性能起到很大的作用，因此在仿真模型中必須同時考慮活塞壓縮機和閥片之間的耦合關系。在已有的報道中鮮有這種活塞壓縮機-閥系統耦合CFD模型。這是因為，往復壓縮機的三維CFD耦合建模會涉及復雜的運動網格算法和可變時間步長模型，建模難度太大。Simerics MP+軟件專注于容積式流體機械（如泵和壓縮機）的CFD仿真，將往復壓縮機三維CFD網格劃分和求解方法模板化，解決了軟件易用性和穩定性的問題。
展開 流體仿真計算、結構強度計算、ANSYS有限元分析，仿真分析培訓，流體、結構類輔材供應
業務方向：流體仿真計算、結構強度計算、ANSYS有限元分析，仿真分析培訓，流體、結構類輔材供應。
聯系電話：王經理 15900979745
