壓氣機(jī)CFD分析的案例
【CAE案例】壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的CFD仿真
01 研究背景
什么是壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速問題？
旋轉(zhuǎn)失速是沿壓氣機(jī)周向的非均勻流動(dòng)狀態(tài)。失速現(xiàn)象一般首先發(fā)生在葉輪處，當(dāng)離心式或軸流式壓縮機(jī)的操作工況發(fā)生變動(dòng)時(shí)，氣流會(huì)在葉片的凹面附近形成氣流漩渦，氣流漩渦的聚集會(huì)阻礙通道內(nèi)的氣流流通，減少通道內(nèi)的有效流通面積，形成氣流堵塞團(tuán)，不但會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)性能（推力、經(jīng)濟(jì)性）大為惡化，限制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍，更嚴(yán)重的可能會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火，或引起壓氣機(jī)葉片劇烈振動(dòng)以致葉片斷裂而造成整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞。
壓縮機(jī)中的旋轉(zhuǎn)失速 壓縮機(jī)中的旋轉(zhuǎn)失速
失速現(xiàn)象可能對(duì)壓縮機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p害，因此預(yù)測(cè)在何種工況下會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速的現(xiàn)象就顯得十分有必要。在本次介紹的算例中，就使用法國(guó)電力（EDF）開發(fā)的通用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）求解器 code_saturne進(jìn)行數(shù)值模擬，并將仿真結(jié)果同實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)以及FLUENT商業(yè)軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，證明了code_saturne進(jìn)行可壓縮流場(chǎng)仿真計(jì)算的可信性。
code_saturne中的可壓縮算法和湍流模型的改進(jìn)
壓氣機(jī)失速現(xiàn)象涉及到對(duì)旋轉(zhuǎn)可壓縮氣流流場(chǎng)不穩(wěn)定性的高精度的捕捉，針對(duì)本案例，對(duì)code_saturne內(nèi)的可壓縮流求解部分的源代碼做出了以下的優(yōu)化和改進(jìn)。
? 對(duì)流項(xiàng)的離散格式增加至3階
? 使用2階Crank-Nicholson時(shí)間差分格式
? 植入并試驗(yàn)了由?ada和Torrilhon提出的3階限制器
同時(shí)針對(duì)code_saturne中的k-ω SST湍流模型進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)和曲率修正，使之更加適用于旋轉(zhuǎn)氣流仿真。
為了對(duì)改進(jìn)后的k-ω SST湍流模型，在code_saturne中測(cè)試了旋轉(zhuǎn)管流的經(jīng)典驗(yàn)證算例，模擬繞軸向旋轉(zhuǎn)的管道中的氣流流場(chǎng)。
展開 開源CAE Code_Saturne案例 | 壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的CFD仿真
基于有限體積方法，支持多種類型網(wǎng)格，通過求解納維-斯托克斯方程，用于處理二維、二維對(duì)稱、三維，穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)，層流或湍流，不可壓或微可壓流體，等溫或非等溫等多種計(jì)算問題。擁有多種不同的湍流模型，例如雷諾平均模型（Reynolds Average Navier-Stokes: RANS）與大渦模擬模型(Large Eddy Simulation: LES)。
軟件涵蓋多種工業(yè)應(yīng)用物理模塊：大氣模擬、煤粉、重質(zhì)燃料及生物質(zhì)的燃燒模塊、電弧與焦耳效應(yīng)模塊、顆粒追蹤模塊、流體機(jī)械轉(zhuǎn)子-定子互動(dòng)模塊等。為適應(yīng)工業(yè)界復(fù)雜的物理問題，該軟件具備靈活的二次開發(fā)接口。其強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，適用于超性能計(jì)算平臺(tái)處理大規(guī)模計(jì)算問題。該軟件在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用與認(rèn)可。
研究背景
什么是壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速問題？
旋轉(zhuǎn)失速是沿壓氣機(jī)周向的非均勻流動(dòng)狀態(tài)。失速現(xiàn)象一般首先發(fā)生在葉輪處，當(dāng)離心式或軸流式壓縮機(jī)的操作工況發(fā)生變動(dòng)時(shí)，氣流會(huì)在葉片的凹面附近形成氣流漩渦，氣流漩渦的聚集會(huì)阻礙通道內(nèi)的氣流流通，減少通道內(nèi)的有效流通面積，形成氣流堵塞團(tuán)，不但會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)性能（推力、經(jīng)濟(jì)性）大為惡化，限制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍，更嚴(yán)重的可能會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火，或引起壓氣機(jī)葉片劇烈振動(dòng)以致葉片斷裂而造成整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞。
壓縮機(jī)中的旋轉(zhuǎn)失速
失速現(xiàn)象可能對(duì)壓縮機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p害，因此預(yù)測(cè)在何種工況下會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速的現(xiàn)象就顯得十分有必要。
展開 【EDF開源CAE】使用Code_Saturne對(duì)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的CFD仿真
基于有限體積方法，支持多種類型網(wǎng)格，通過求解納維-斯托克斯方程，用于處理二維、二維對(duì)稱、三維，穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)，層流或湍流，不可壓或微可壓流體，等溫或非等溫等多種計(jì)算問題。軟件涵蓋大氣模擬、煤粉、重質(zhì)燃料及生物質(zhì)的燃燒、電弧與焦耳效應(yīng)、顆粒追蹤、流體機(jī)械轉(zhuǎn)子-定子互動(dòng)等多種工業(yè)應(yīng)用物理模塊，并在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用與認(rèn)可。
01
研究背景
旋轉(zhuǎn)失速是沿壓氣機(jī)周向的非均勻流動(dòng)狀態(tài)。失速現(xiàn)象一般首先發(fā)生在葉輪處，當(dāng)離心式或軸流式壓縮機(jī)的操作工況發(fā)生變動(dòng)時(shí)，氣流會(huì)在葉片的凹面附近形成氣流漩渦，氣流漩渦的聚集會(huì)阻礙通道內(nèi)的氣流流通，減少通道內(nèi)的有效流通面積，形成氣流堵塞團(tuán)，不但會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)性能（推力、經(jīng)濟(jì)性）大為惡化，限制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍，更嚴(yán)重的可能會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火，或引起壓氣機(jī)葉片劇烈振動(dòng)以致葉片斷裂而造成整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞。
失速現(xiàn)象可能對(duì)壓縮機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p害，因此預(yù)測(cè)在何種工況下會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速的現(xiàn)象就顯得十分有必要。
在本次介紹的算例中，就使用法國(guó)電力（EDF）開發(fā)的開源通用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）求解器 Code_Saturne進(jìn)行數(shù)值模擬，并將仿真結(jié)果同實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)以及FLUENT商業(yè)軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，證明了Code_Saturne進(jìn)行可壓縮流場(chǎng)仿真計(jì)算的可信性。
02
Code_Saturne仿真軟件的優(yōu)勢(shì)
針對(duì)本算例計(jì)算的可壓縮旋轉(zhuǎn)氣流流場(chǎng)的仿真模擬，Code_Saturne開源通用流體力學(xué)計(jì)算軟件具有以下的優(yōu)勢(shì)：
所有代碼全部開源算法透明，同時(shí)方便植入和嘗試特殊模型和更加先進(jìn)的求解算法。
展開 燃?xì)廨?em>機(jī)低壓渦輪壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析
本文研究的對(duì)象是該型燃?xì)廨?em>機(jī)低壓渦輪壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子, 通過對(duì)轉(zhuǎn)子-支承建模, 使用SAMCEF專業(yè)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析軟件, 采用有限元素法分析了其轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性, 包括轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算、穩(wěn)態(tài)不平衡響應(yīng)分析、轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析等。驗(yàn)證了其在工程應(yīng)用方面的可用性及可靠性, 同時(shí)得出了分析其動(dòng)力學(xué)特性的基本方法及結(jié)論。
1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
該型燃?xì)廨?em>機(jī)低壓渦輪壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子呈軸流輪轂式整體結(jié)構(gòu), 它由9級(jí)低壓壓氣機(jī)和1級(jí)低壓渦輪組成, 低壓壓氣機(jī)與低壓渦輪之間通過低壓渦輪軸連接并以花鍵傳遞扭矩(見圖1)。0 ～ 8級(jí)低壓壓氣機(jī)輪盤、葉片材料為鈦合金;低壓渦輪盤、葉片材料為高溫合金;低壓渦輪軸材料為馬氏體不銹鋼。低壓渦輪壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子呈3點(diǎn)支承結(jié)構(gòu), 前支承采用徑向止推滾珠軸承, 支承點(diǎn)位于壓氣機(jī)0級(jí)輪盤前段, 由彈性支承、擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成;中間支承采用滾柱軸承, 由擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成, 支承點(diǎn)位于低壓壓氣機(jī)后軸徑后段;后支承采用滾柱軸承, 由彈性支承、擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成, 支承點(diǎn)位于低壓渦輪軸后段。
2 計(jì)算模型
該型燃機(jī)低壓渦輪壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的3D模型較大,這將導(dǎo)致在網(wǎng)格劃分以及計(jì)算過程中花費(fèi)大量時(shí)間,因此我們對(duì)本機(jī)組的計(jì)算采用2D軸對(duì)稱模型。在總體直角坐標(biāo)系下建立二維軸對(duì)稱單元, 其種類有3節(jié)點(diǎn)或高階6 節(jié)點(diǎn)的三角形單元、4 節(jié)點(diǎn)或高階8 節(jié)點(diǎn)的四邊形單元。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有9個(gè)自由度, 前6個(gè)自由度與梁?jiǎn)卧粯? 分別為沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的拉伸和扭轉(zhuǎn), 以及由彎曲而引起的其他2個(gè)方向的線位移和角位移。另外, 3個(gè)自由度與旋轉(zhuǎn)軸的橫截面變形有關(guān), 分別為拉伸引起的徑向位移和彎曲引起的2個(gè)切向位移。同時(shí), 使用這類單元可以很好地模擬轉(zhuǎn)子的“渦動(dòng)效應(yīng)” 。
建立總體直角坐標(biāo)系(X , Y , Z )和局部圓柱坐標(biāo)系(er, z , eθ)。
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氦氣透平壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析
作者：王旭 周傳月 關(guān)鍵字：氦氣透平壓氣機(jī) 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué) 電磁軸承
本文用Samcef Rotor軟件對(duì)氦氣透平壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算與分析，通過大量分析計(jì)算，為氦氣透平壓氣機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。
1.引言
清華大學(xué)IOMW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆HTR-IOGT項(xiàng)目是國(guó)家863重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，氦氣透平壓氣機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱氦氣輪機(jī)）是該項(xiàng)目能量轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備。氦氣輪機(jī)主要由低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、氦氣渦輪以及壓氣機(jī)和渦輪的進(jìn)排氣裝置組成。氦氣輪機(jī)采用單軸立式布置，工作時(shí)由徑向電磁軸承和軸向止推電磁軸承支承、非工作狀態(tài)由徑向機(jī)械軸承和軸向止推機(jī)械軸承支承。由于氦氣輪機(jī)采用單軸雙支承結(jié)構(gòu)，從而決定了其柔性轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特征。在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，如何調(diào)整轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速、如何確保轉(zhuǎn)子過臨界時(shí)較小的振動(dòng)幅值以及如何保證計(jì)算的準(zhǔn)確性等，這些都是我們十分關(guān)心的問題。本文就是針對(duì)上述問題，論述工程設(shè)計(jì)中配合總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行氦氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速與振型計(jì)算以及氦氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)諧波響應(yīng)計(jì)算與分析。
2.計(jì)算模型
2.1 幾何模型
圖1為氦氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。從左到右分別為低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子前軸及其上的支承、低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高低壓壓氣機(jī)間聯(lián)接軸、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高壓壓氣機(jī)與氦氣渦輪間聯(lián)接軸、氦氣渦輪、渦輪后軸及其上的支承。
圖1 氦氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)
轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算是配合氦氣輪機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行的，因此，要求計(jì)算結(jié)果要保證一定的精度，同時(shí)還要進(jìn)行很多不同結(jié)構(gòu)方案的計(jì)算，而氦氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，完全模擬轉(zhuǎn)子的實(shí)際結(jié)構(gòu)會(huì)給計(jì)算帶來很大的不便，甚至?xí)a(chǎn)生局部振動(dòng)干擾整個(gè)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)計(jì)算的情況。基于上述考慮，決定計(jì)算模型采用三維計(jì)算模型，但對(duì)三維模型進(jìn)行必要合理的簡(jiǎn)化。
展開 某型燃?xì)廨?em>機(jī)低壓渦輪壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析
為了獲得某型燃?xì)廨?em>機(jī)低壓渦輪壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特性，并驗(yàn)證其穩(wěn)定性及可靠性，本文使用ＳＡＭｃＥＦ／Ｆｉｅｌｄ軟件的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析模塊對(duì)該轉(zhuǎn)子進(jìn)行了分析計(jì)算。根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的條件，計(jì)算了該機(jī)組轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、穩(wěn)態(tài)不平衡響應(yīng)、葉片丟失瞬態(tài)響應(yīng)等。計(jì)算結(jié)果表明，臨界轉(zhuǎn)速安全系數(shù)合理；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)選取的平衡量具有較小的振動(dòng)幅值；轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)方案的合理性，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。得出了此轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案能保證低壓渦輪壓氣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的結(jié)論
某型燃?xì)廨?em>機(jī)低壓渦輪壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析.pdf
展開 壓氣機(jī)盤模態(tài)及靜力學(xué)分析
本文采用壓氣機(jī)盤模型（包含small features和to thin solids）,采用simsolid進(jìn)行模態(tài)分析及離心載荷下的靜力學(xué)分析，并與ansys workbench軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)對(duì)于含小特征及薄壁結(jié)構(gòu)模型的模態(tài)分析，simsolid對(duì)小特征及薄壁結(jié)構(gòu)的局部模態(tài)捕捉不佳。進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，要注意simsolid計(jì)算得到的約束處的應(yīng)力可能不是真實(shí)應(yīng)力。
幾何模型：
geometry.rar
simsolid模型：
static.part1.rar
static.part2.rar
Compressor 2_mode.rar
展開 ANSYS壓氣機(jī)輪 盤結(jié)構(gòu)（周期對(duì)稱）分析-附命令流
一、問題描述
某型壓氣機(jī)輪 盤如圖1所示，其截面如圖2所示。盤上6個(gè)均壓孔均布。將葉片引起的離心效果均勻施加于輪、盤邊緣。
圖1 帶有均壓孔的壓氣機(jī)輪 盤
圖2 壓氣機(jī)盤截面
圖中所標(biāo)各點(diǎn)坐標(biāo)如表所示。
展開 某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)輪盤疲勞可靠性分析
本文通過理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的研究方法，就輪盤疲勞可靠性分析的方法與
可靠性模型的建立進(jìn)行了深入研究，主要內(nèi)容如下：
(1)對(duì)現(xiàn)有輪盤疲勞可靠性分析的方法進(jìn)行了評(píng)述，對(duì)輪盤材料進(jìn)行了應(yīng)變控制的
低循環(huán)疲勞試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸處理，引入了歐文乘子法來獲得給定可靠度
和置信度的參數(shù)估計(jì)值和應(yīng)變壽命曲線。
(2)以有限元分析和標(biāo)準(zhǔn)試件疲勞試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過有限元分析的方法，細(xì)致分析
了輪盤處于工作狀態(tài)時(shí)，葉片榫頭的接觸應(yīng)力對(duì)榫槽底部應(yīng)力狀態(tài)的影響。在詳細(xì)分析
榫槽應(yīng)力狀態(tài)的基礎(chǔ)上，確定了輪盤的l臨界平面。應(yīng)用臨界平面法進(jìn)行輪盤的疲勞壽命
評(píng)估，充分考慮了多軸應(yīng)力狀態(tài)對(duì)疲勞壽命的影響，具有更高的精度。
(3)對(duì)影響輪盤疲勞壽命的各因素進(jìn)行了敏度分析，給出了疲勞壽命對(duì)各相關(guān)參數(shù)
的敏度曲線。通過比較疲勞壽命對(duì)各參量的敏度值，確定了對(duì)疲勞壽命影響較大的參量，
并作為可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
(4)通過Monte—Carlo數(shù)字仿真進(jìn)行了輪盤的模擬試驗(yàn)，利用概率權(quán)重矩法進(jìn)行了
試驗(yàn)結(jié)果的擬合，確定{『輪盤疲勞壽命的分布形式，建立了輪盤零部件的疲勞可靠性模
型。
某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)輪盤疲勞可靠性分析.pdf
展開 [案例分析]STARCCM+入門系列之——單周期軸流壓氣機(jī)
1、問題描述
本教程介紹如何在STAR-CCM+ 中對(duì)軸流壓氣機(jī)葉片進(jìn)行模擬，并說明為單葉片排生成網(wǎng)格的過程。
2、STAR-CCM+設(shè)置
（1）
菜單欄選擇Mesh > Import Turbo Blades，生成如下的界面：
（2）將葉片排數(shù)葉片排數(shù)設(shè)置為1，將選擇當(dāng)前葉片排選擇當(dāng)前葉片排設(shè)置為 1。激活當(dāng)前葉片排正在旋轉(zhuǎn)當(dāng)前葉片排正在旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)速度更改為17,200 rpm。激活輪轂表面正在旋轉(zhuǎn)輪轂表面正在旋轉(zhuǎn)，將選擇流軸設(shè)置為+Z。
（3）導(dǎo)入渦輪向?qū)缀挝募x項(xiàng)對(duì)話框中有六個(gè)選項(xiàng)卡。幾何、網(wǎng)格化、流道、方格設(shè)置、邊界條件/湍流和初始條件選項(xiàng)卡用于為導(dǎo)入的葉片幾何指定所需的文件和參數(shù)。幾何界面的設(shè)置如下：
（4）將網(wǎng)格生成方法網(wǎng)格生成方法設(shè)置為使用橢圓網(wǎng)格生成器構(gòu)建使用橢圓網(wǎng)格生成器構(gòu)建3D 體網(wǎng)格體網(wǎng)格。
（5）流道設(shè)置方法如下：
（6）網(wǎng)格設(shè)置方法如下圖：
（7）采用默認(rèn)湍流模型，保留滯止進(jìn)口子選項(xiàng)卡中的默認(rèn)設(shè)置。在壓力出口子選項(xiàng)卡中，將恒定靜態(tài)壓力恒定靜態(tài)壓力值更改為5000 Pa，保留其他參數(shù)的默認(rèn)值。在初始條件選項(xiàng)卡，將初始速度初始速度Z 值更改為 150 m/s，保留其他參數(shù)的默認(rèn)值。
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