渦輪增壓器ansys模擬的案例
ANSYS|渦輪增壓器零件結構分析
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應用CFD提高增程式電動車的渦輪增壓器的效率
提高模擬的準確性需要一定的時間，并可能導致更大、更復雜的模型，這也將需要更多的時間來運行，可能會妨礙ACR的工程師同時評估幾個不同的幾何形狀。為了解決這個問題，Kishishita先生創建了一個內部工具，根據旋轉速度和壓力，對氣體流速和效率進行一維計算。這些一維計算有助于確定進口/出口面積、進口/出口葉片角度和流道外壁錐度的影響。Kishishita先生在這些一維計算結果的基礎上，進行了詳細的CFD分析。
Kishishita先生的其他設計目標之一是使渦輪增壓器蝸殼更薄。當氣體進入和離開蝸殼時，熱量通過熱傳導流失到外部環境。熱損失的數量取決于蝸殼的位置 。ACR通過使蝸殼變薄和用隔熱材料包裹它以減少熱傳導來最大限度地減少熱損失。人們認為這樣做的作用類似于提高渦輪機的效率，ACR的工程師們將使用CFD模擬來進一步評估這一點。
ACR還利用熱流體模擬來設計和開發催化裝置。他們利用模擬來評估新催化劑和材料的混合器設計。ACR的工程師還在內部設計、開發和生產了許多小型發動機測試設備。這些設備包括燃料噴射系統的測試儀器，評估氣缸內產生的渦流的測量工具，以及渦輪增壓器的特殊測試設備。除此之外，ACR甚至還開發了生產噴嘴的制造工藝和機器。他們開發了自己的加工技術，并能夠在更短的時間內以更低的成本生產新的燃油噴射系統，因而無需使用專門的制造供應商。
雖然渦輪增壓器的開發對ACR來說是新的領域，但Kishishita先生在以前的工作中擁有豐富的經驗。他聲稱，曾幾何時，人們認為在柴油機上添加渦輪增壓器會降低可靠性，然而由于公司面臨著提高燃油效率的需要，他們不得不開發渦輪增壓器，岸下先生被分配到這個項目上，他說他以前的經驗對他現在的工作有幫助。
盡管岸下先生有豐富的經驗，但ACR作為一家公司， 在發動機開發方面是完全陌生的。
展開 應用CFD提高增程式電動車的渦輪增壓器的效率
另外，使用低排量發動機造成的功率限制也促使ACR研究渦輪增壓以增加發動機的功率。在此期間，ACR引入了熱流體分析工具來幫助他們開發新的渦輪增壓器。ACR首席執行官兼總裁Hiroshi Matsuoka先生建議使用計算仿真作為設計工具，近年來人們對技術水平大幅提升的仿真工具越來越有信心。
Kishishita先生和他的團隊最初使用了一家外國公司開發的CFD工具，但沒有將該工具應用到他們的設計過程中，因為操作起來太困難。松岡先生建議使用具有強大本地支持的軟件，這將使他們能夠快速解決問題，最后他們選擇了Cradle CFD。
設計高效的渦輪增壓器
圖3: EREV渦輪增壓器
圖4：渦輪增壓器的渦輪
Kishishita先生的團隊正在開發一種渦輪增壓器，它將比日本Kei微型車中的世界上最小的渦輪增壓器更有效率。ACR渦輪增壓器將只使用典型的Kei微型汽車渦輪增壓器的三分之一的流量。(圖3和圖4) 。
圖5：用模擬方法評估渦輪增壓器葉片的幾何形狀。
ACR的工程師使用Cradle CFD來確定渦輪增壓器轉子葉片的最佳幾何形狀，最佳設計產生了一個理想的出口角，以獲得高效率。計算機模型中使用了大約600萬個網格元素(圖5) 。分析結果顯示，渦輪增壓器的效率隨著出口角的減小而增加。通過使出口角達到最小值，使流出損失最小化，這最大限度地減少了摩擦損失和能量轉化為熱量，從而提高了效率(圖6 ) 。
展開 
MAN主機渦輪增壓器排氣葉片損傷故障原因分析
1、MAN NR34/S主機渦輪增壓器的工作原理
柴油機增壓器運行中，利用發動機排出的廢氣來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸上的葉輪轉動，葉輪的轉動時會吸入空氣并壓縮，壓縮后的空氣壓力增大，通過空氣冷卻器冷卻后進入氣缸，空氣壓力和密度增大可以增加柴油主機的輸出功率。
NR34/S增壓器包含一個一級徑流式廢氣葉輪和一個一級徑流式壓氣葉輪,整個轉子通過2個滑動軸承支撐。
廢氣葉輪與轉子軸是整合一體的，近氣壓縮葉輪通過外部鎖緊螺母裝配到轉子軸上。
圖1 NR34/S型增壓器整體結構
NR34/S型增壓器整體結構如圖1所示，在柴油機的運行中，柴油機燃燒后的廢氣進入排煙總管后，從①位置進人增壓器廢氣渦輪入口，經過廢氣渦輪入口的噴嘴環②葉片導向，推動廢氣渦輪③轉動，之后廢氣進入尾端的排煙管⑤排到大氣中。
在廢氣渦輪轉動同時，新鮮空氣通過進氣濾器(6.1)、 消 音 器(6.2) 進人進氣渦輪⑧，通過進氣渦輪的轉動壓縮空氣，壓縮后的空氣通過擴壓器⑨和壓氣機外殼①進入進氣管內。
增壓器轉子軸承箱里有兩個軸承支撐整個轉子，一個滑動軸承，一個推力軸承，推力軸承靠近壓氣機葉輪側，起到定位及支撐作用。
兩個軸承通過公用管線提供潤滑油。
展開 借助轉子動力學分析評估渦輪增壓器設計
在生活中，人們經常用 turbocharged（渦輪增壓）這個詞來形容一種精神百倍的狀態，比如 turbocharged 咖啡比一杯普通咖啡更加提神。但渦輪增壓器的真正功能不是提升精神，而是提升速度；不是在清晨的咖啡杯中，而是在內燃機中發揮作用。渦輪增壓器利用渦輪實現強制進氣，它通常使用流體動力軸承作為支撐。然而，軸承會自然產生可導致負阻尼和系統故障的交叉耦合軸承力。借助轉子動力學建模，你可以分析交叉耦合軸承力給渦輪增壓器設計帶來的影響。
什么是渦輪增壓器？
渦輪增壓器通過迫使額外的空氣進入發動機燃燒室來增加內燃機的效率和功率輸出。這種裝置通常應用于基本交通運輸方式中，例如汽車（包括燃氣動力和柴油車）和摩托車，也應用于大型的交通工具，例如火車、輪船、飛機和航天器。
航天器推進系統中的渦輪增壓器的剖面圖。圖片由 Quentin Schwinn（美國宇航局）提供，此作品在美國處于公有領域，通過 Wikimedia Commons 分享。
在發動機系統中，支撐渦輪增壓器的流體動力軸承中存在的交叉耦合力在轉子中通常起負阻尼作用。負阻尼會增加軸承失效的風險，實際上整個系統的故障風險都會增大。如果車輛發動機中的渦輪增壓器發生故障，汽車可能會起火。
為了設計能夠平穩運行的渦輪增壓器，你可以使用“轉子動力學模塊”進行轉子動力學分析，此模塊屬于“結構力學模塊”和 COMSOL Multiphysics? 軟件的附加產品。
COMSOL? 軟件中適用于渦輪增壓器設計的 2 種研究
該示例中的簡單渦輪增壓器模型包含一個渦輪機、一個壓縮機和兩個流體動力軸承：
“轉子動力學模塊”提供了兩個專用于渦輪增壓器建模的功能，方便用戶創建幾何模型以及物理場和研究設置。
適用于渦輪增壓器模型的兩種轉子動力學研究。
展開 基于SimSolid的渦輪增壓器配機試驗的減振分析
Turbo-trail vibration simulate based on SimSolid.pdf
分析簡介：
分析目標：由于試驗需要，增加 EGR 系統及適配器，導致整個系 統伸出量很長，在發動機運行試驗過程中，估計會導致振動幅度 過大和零部件失效。試通過計算找出強度薄弱位置，和伸出端的 支承建議方案。
分析手段和類型：1）靜力分析，快速找出結構薄弱位置；2）模態分析及隨機振動響應分析，對比各個支承方案的減振效果。
具體分析結果：見附件。
使用心得：
簡潔高效，減少工程師對工具熟悉和建模的工作量，人工效率和計算效率都極大的提升。我在3天之內一邊學習一邊嘗試十多種設計方案的求解，這是傳統有限元即使是熟練工程師都難以做到的。
特別適用于大規模復雜裝配體，對幾何缺陷和裝配容差的容忍度較高。這在傳統有限元中是非常大的挑戰。
精度方面做過一些案例對比，總體分布趨勢和數量級和傳統有限元結果差別不大，局部會有較大差異，但仍不失為一款優秀的CAE工具，尤其在產品概念階段或定性分析是一個非常強大高效的工具。
在數據導入導出及結果后處理功能上還有待完善。
祝愿SimSolid功能日益強大，早日拓展到電磁、聲學等多物理場分析。也希望數據處理功能更完善簡潔，讓CAE更簡單高效，讓工程師脫離枯燥繁重的建模工作，更多注意力在產品設計和優化上。
展開 Toyota Motorsports 通過 Fidelity 提高渦輪增壓器壓縮機效率
專門從事賽車發動機的高科技開發，渦輪增壓器組件已經是最先進的。為了進一步提高性能，豐田必須依靠傳統的試錯程序和原型之外的東西，因為這些東西的周轉時間太長了。與手動實現相比，數值優化使工程師能夠探索和評估更多的設計備選方案。
轉向數值優化的另一個原因是，壓縮機葉輪的設計工作已經非常接近它們所用材料的結構-機械極限。大多數形狀變化會立即導致超出可接受的壓力水平。僅考慮空氣動力學行為的優化并不能保證最終設計在結構上也是可行的。需要同時進行包括空氣動力學和結構力分析在內的優化。換句話說：將計算流體動力學 (CFD) 與計算結構力學 (CSM) 模擬相結合的多學科優化。
耦合 CFD-CSM 工作流程
本文將介紹用于廢氣渦輪增壓器的離心式壓縮機的多學科 CFD-CSM 優化。所研究的壓縮機級包括一個帶六個主葉片和六個帶無葉片擴散器的分流葉片的徑向葉輪。要實現兩個空氣熱力學目標、一個結構力學目標和兩個空氣動力學目標：
增加等熵效率
相同或更高的絕對總壓比
與原始幾何形狀相同的扼流圈質量流量
向失速裕度方向擴展操作范圍
最大 von Mises 應力低于極限
CFD 和 CSM 模擬被集成到 Cadence 的Fidelity Optimization中的單一優化工作流程中。每個新設計首先由 CSM 求解器進行結構檢查，只有那些不超過最大 von Mises 應力的設計才會被納入更耗時的 CFD 過程。結構上不可接受的設計被輸入到學習數據庫中以驅動優化器。
參數化和網格劃分
共有 154 個參數定義了葉輪、經向通道和實體。然而，定義葉輪輪轂殼的參數與基本設計保持不變，以排除許多結構機械不可行的設計。并且為了進一步減少自由參數的數量，也沒有修改沿弧度曲線的厚度分布。
展開 HyperWorks幫助BorgWarner實現確定溫度和機械應力對渦輪增壓器共同作用的流程自動化
它在發動機正時系統、增壓系統、點火系統、空氣和噪音管理系統、冷卻系 統、傳輸系統和四輪驅動系統上的專長幫助全世界的汽車生產商制造具有更高的燃 油經濟性和排放性能的汽車。BorgWarner的一個關鍵產品是它的渦輪增壓器，由發 動機的廢氣驅動的渦輪是用尾氣去驅動一臺壓縮機，從而提高進入發動機的空氣密 度，結果是在沒有大幅增加其重量的前提下顯著提高發動機的功率。
挑戰
事實上渦輪增壓器會受到廢熱氣體的不利影響，熱氣會對渦輪增壓器外殼的材 料強度產生影響，導致其性能下降、潛在蠕動或渦輪機磨損。當極端波動發生時，渦輪增壓器可能產生過早的熱疲勞導致開裂。
因為渦輪增壓器承受相當大的溫度變化，而設備的耐久性不僅取決于材料組成和它承受的機械應力，而且取決于外界溫度。由于受到機械應力和溫度效應相互作用，在確定整個渦輪增壓器的設計時這兩者都必須考慮。
BorgWarner的工程師們已經對渦輪機外殼進行了結構分析以確定其疲勞壽命。一旦熱廢氣在渦輪增壓器中開始流動就要進行預測溫度分布的計算。該公司沒有簡單的方法從應力和溫度兩方面整合數據來獲得一個系統性能的總體預測，因此在特 定的位置處熱應力可能很小。但如果廢氣的溫度很高，應力和溫度的組合會導致過 早的部件失效。在特定位置處的應力必須與在任何給定的溫度下的材料屈服強度進 行比較。對于有非常大的結果文件的有限元模型來說，對比應力水平與在不同溫度的屈服強度是一項非常繁瑣的任務。
“大多數有限元程序只輸出在工程方面的應力而指出這些位置的溫度，” BorgWarner高級CAE分析師ZaneUllman指出，“這些信息都是單獨的、獨立的、沒有聯系的，因此我們被迫需要手動耗費大量時間將數據逐個放在一起。”
展開 設計仿真 | 應用CFD提高增程式電動車的渦輪增壓器的效率
提高模擬的準確性需要一定的時間，并可能導致更大、更復雜的模型，這也將需要更多的時間來運行，可能會妨礙ACR的工程師同時評估幾個不同的幾何形狀。為了解決這個問題，Kishishita先生創建了一個內部工具，根據旋轉速度和壓力，對氣體流速和效率進行一維計算。這些一維計算有助于確定進口/出口面積、進口/出口葉片角度和流道外壁錐度的影響。Kishishita先生在這些一維計算結果的基礎上，進行了詳細的CFD分析。
Kishishita先生的其他設計目標之一是使渦輪增壓器蝸殼更薄。當氣體進入和離開蝸殼時，熱量通過熱傳導流失到外部環境。熱損失的數量取決于蝸殼的位置 。ACR通過使蝸殼變薄和用隔熱材料包裹它以減少熱傳導來最大限度地減少熱損失。人們認為這樣做的作用類似于提高渦輪機的效率，ACR的工程師們將使用CFD模擬來進一步評估這一點。
ACR還利用熱流體模擬來設計和開發催化裝置。他們利用模擬來評估新催化劑和材料的混合器設計。ACR的工程師還在內部設計、開發和生產了許多小型發動機測試設備。這些設備包括燃料噴射系統的測試儀器，評估氣缸內產生的渦流的測量工具，以及渦輪增壓器的特殊測試設備。除此之外，ACR甚至還開發了生產噴嘴的制造工藝和機器。他們開發了自己的加工技術，并能夠在更短的時間內以更低的成本生產新的燃油噴射系統，因而無需使用專門的制造供應商。
雖然渦輪增壓器的開發對ACR來說是新的領域，但Kishishita先生在以前的工作中擁有豐富的經驗。他聲稱，曾幾何時，人們認為在柴油機上添加渦輪增壓器會降低可靠性，然而由于公司面臨著提高燃油效率的需要，他們不得不開發渦輪增壓器，岸下先生被分配到這個項目上，他說他以前的經驗對他現在的工作有幫助。
盡管岸下先生有豐富的經驗，但ACR作為一家公司， 在發動機開發方面是完全陌生的。
展開 替代熔模鑄造，3D打印技術為F1賽車生產渦輪增壓器
以提速的首要裝備——渦輪增壓器為例，賽車領域的渦輪增壓器有極為復雜的形狀、幾何特征和材質。因此，熔模鑄造是曾經唯一可用的方法，但它的缺點和局限也同樣明顯：
△傳統熔模鑄造生產的渦輪增壓器
賽車需要提升競爭力，必須在遵循簡潔設計的原則下使關鍵零件達到更高的性能，并且需要精確的平衡作用力，這就不可避免地需要頻繁變更設計，相應的也就需要一個靈活和高效的生產工藝，而這正是工藝繁雜的熔模鑄造是無法滿足的。工藝環節越多，出錯風險就越高，瑕疵產生機率越大，生產周期也更長。要使渦輪增壓器高效率地工作，必須有效隔熱，用雙壁結構形成空氣間隙，避免內部的熱量傳遞到外殼，但是，雙壁結構的問題是難以鑄造。
為了保持理想的工作壓力，我們需要通過兩個廢氣門來進行排氣，鑄造的方法是將主機殼、兩個廢氣門分開制造然后再進行后續組裝，顯著增加成本和重量。發動機的減重是另一個挑戰，賽車的平均設計時速超過200 km/h，減重可以大幅提升性能。因此所有零件的壁厚都要盡可能薄，以減輕發動機的重量，但是薄壁的鑄件強度又不足。
此外，雖然鑄造工藝也可以成型許多復雜的內部幾何特征或功能面，但是基本上制造周期都比較長。而且，一些形狀鑄造是無法成型的，比如封閉式腔體內的幾何特征既無法用鑄造的方法成型，也無法在后續加工中成型。因此我們在前期設計渦輪增壓器時就會受到鑄造工藝的諸多限制。
熔模鑄造的工藝環節繁多，生產周期長，難以滿足賽車快節奏的要求。要進一步提升性能就需要使用更先進的技術，才能使賽車創造全新的圈速記錄。
增材制造可以最大化的釋放設計自由，使之專注于零件的功能性，工程師在零件的設計中可以更接近理想的狀態，并且可以突破工藝的限制將復雜的組件整合成一個完整的零件。傳統制造此渦輪增壓器需要使用三個零件：主機殼和一側的兩個廢氣門。
展開 
利用CT（計算機斷層掃描）提高渦輪增壓器葉輪的金屬3D打印質量
關于檢測與算法的結合如何用到產品的質量管理上，本期谷.專欄特別推薦materialise的一篇案例《利用CT（計算機斷層掃描）提高渦輪增壓器葉輪的金屬3D打印質量》 。
為金屬部件尋找正確的工藝參數
質量是當下增材制造行業關注的熱點，企業正通過大力投資數字化解決方案來改進質量。過去的幾年里，在技術和經濟效益方面我們看到了很多的進步，但每個專業的金屬3D打印工程師都知道，目前還有不少問題需要解決，才能夠對復雜部件的質量進行認證。本期，通過分享Materialise 3D打印葉輪的案例，來領略復雜零部件質量認證與控制的思路與方法。
渦輪增壓器通常用于提高諸如汽車上的內燃機（ICE）的效率和功率輸出。渦輪增壓器通常包含安裝在公共軸上的兩個葉輪：其中一個葉輪用作渦輪，而另一個葉輪用作壓縮。
圖片：渦輪增壓器中的兩個葉輪，來源Materialise
在運行過程中，葉輪高速旋轉并處于高溫下，出現疲勞是一個很現實的問題。采用增材制造設計的部件相比鑄造部件質量更輕，能實現葉輪更高的轉速和更好的性能。最小化孔隙率并實現具備嚴格幾何公差的精準制造對于確保部件的長期運行至關重要。
在用3D打印制造葉輪時，需要明確兩個目標：
第一個目標是最大限度地減少打印過程中的熱形變，并確保部件的對稱性。不對稱的葉輪會導致效率降低，在最壞的情況下還可能造成災難性的損壞。
第二個目標是保持低孔隙率；Materialise的目標是讓葉輪的密度高于99.9％。這對于做過減重優化的零件尤為重要，因為相對來說孔隙率對疲勞壽命影響更大。
為了實現3D打印葉輪的這些質量目標，Materialise與Volume Graphics合作，該公司提供對X射線計算機斷層掃描（CT）數據進行分析和可視化的軟件。
展開 渦輪增壓器上的排氣旁通閥有什么作用？它的控制方式有哪些？
現在汽車上小排量渦輪增壓發動機應用的越來越多，它最大優點是可以在不增加發動機排量的基礎上，大幅度提高發動機的功率和扭矩。但是渦輪增壓器也有很大的缺點：在低速時，增壓不足，渦輪遲滯；而在高速時又會出現過增壓的現象。為了克服這樣的缺點，人們在增壓器上設計了旁通閥，以控制增壓器的增壓壓力。
一、旁通閥式渦輪增壓器的工作原理：
在高速高負荷時，渦輪增壓器旁通閥門打開，部分廢氣經旁通閥直接進入排氣管，放掉一部分廢氣，渦輪轉速下降，從而來控制增壓的壓力。
旁通閥式渦輪增壓器的控制方式有兩種，一種是機械（真空）控制，通常應用在卡車柴油機上；另一種是電子控制，通常應用在轎車上。
二、機械控制旁通閥式的結構及工作原理
機械控制旁通閥主要有控制氣室、拉桿、旁通閥門等組成。旁通閥執行器中膜片左側通增壓的氣體。
1、當發動機低轉速運轉時，壓氣機出口壓力較低，旁通閥在回位彈簧的作用下關閉，發動機排出的廢氣全部通過增壓器的渦輪端，從而提高了渦輪的轉速，能夠產生較大的進氣增壓壓力，提高進氣量，改善發動機的低速性能。
2、當發動機高轉速運轉時，增壓后的迸氣壓力超過規定值，增壓氣體將排氣執行器中的膜片頂起，帶動旁通閥拉桿移動，打開排氣旁通閥門，于是一部分廢氣不通過增壓器的渦輪端，從排氣旁通道直接排人大氣，使渦輪進口流量減少，壓力降低，增壓器轉速下降，減少增壓的壓力。
三、電子控制旁通閥式的結構及工作原理
排氣旁通閥的開閉由電控單元ECU控制的增壓壓力控制電磁閥操控。電控單元ECU監測發動機的工況，與內部預置的參數進行比較，據此來控制電磁閥的開啟時間，從而達到改變排氣旁通閥的開度，控制排氣旁通量，精確地調節增壓壓力的目的。
展開 使用 ANSYS CFX 軸流式渦輪機模擬 ￥5
使用 ANSYS CFX 對軸流式渦輪機進行穩態 CFD 仿真。對于湍流剪切應力傳輸模型使用。附上仿真結果文件可供下載
Ansys助力Vestas完成風力渦輪機控制器的復雜安全設計，推動零排放進程
為了成功實現這一目標，Vestas團隊需要解決復雜的傳感器融合（合并來自多個傳感器的數據）問題，并開發需要更多系統電源的控制算法。
Vestas在其整個產品鏈上擴展Ansys仿真解決方案的使用，幫助其開發更安全的風力渦輪機控制解決方案（圖片由Vestas提供）
Vestas使用Ansys SCADE的基于模型的軟件開發環境來設計風力渦輪機控制器，成功滿足其獨特的系統設計與認證要求。SCADE支持與產品平臺無關的可變部分開發，僅修改極少的參數就可以從一臺渦輪機更改到另一臺渦輪機，這項工作為客戶帶來性價比更高、品質更優的渦輪機設計。
Vestas功能安全業務部電源解決方案高級專家Keld Hammerum表示：“SCADE依然是我們解決風力渦輪機組件固有復雜性的首選工具。對于在過去三年中SCADE Test的持續改進以及我們從Ansys得到的支持，我們倍感欣喜。在我們自己的仿真框架中重復使用Ansys SCADE應用軟件模型有助于推動更可靠、更優異的仿真，最終讓我們推出更具競爭力的風力渦輪機設計。”
Ansys產品高級副總裁Shane Emswiler指出：“Ansys SCADE幫助Vestas開發客戶在風力渦輪機設計中所需的先進、復雜的軟件，讓設計更容易符合IEC 61508等相關安全標準。在不同的仿真環境下運行專門的SCADE模型可以改善仿真結果，我們將繼續支持Vestas致力于開發安全、可持續的能源解決方案。”
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