壓氣機仿真的案例
某型單級軸流壓氣機性能仿真與試驗案例
針對某型單級軸流壓氣機進行CFD仿真計算和多次試驗測量，得到仿真結果和一系列上下波動的試驗數據，用戶面臨如下問題：
仿真模型求解精度驗證（Verification）
采用Star ccm+軟件對壓氣機性能進行初始仿真計算：
調用物理模型精度分析模塊對K-Omega、K-Epsilon、S-A三種湍流模型精度進行評估（以增壓比π為例），發現K-Omega模型精度最高，選擇該模型：
調用離散誤差精度評估模塊對三套葉片網格1、2、3（特征尺寸比為1：1.5：2.25），計算得Mesh2網格離散誤差精度為±0.026，符合要求選取Mesh2：
調用計算收斂誤差精度分析模塊對上述仿真結果殘差曲線進行評估，得到其精度為±0.00007，符合要求：
綜合上述結果可得合成后的仿真模型求解精度為±0.0266
UQ不確定性量化分析
調用SimV&Ver的UQ不確定性量化分析模塊，對4個輸入參數（轉速、級進口總壓、進出口背壓、進口氣流角）不確定性導致的響應量（增壓比π）變化結果進行分析，得其上下限為±0.08：
根據計算結果可對各輸入參數對響應量的敏感度系數進行分析：
仿真與試驗結果對比與誤差分析（Validation）
調用仿真與試驗結果對比與誤差分析模塊，對CFD仿真與試驗結果誤差進行對比分析；
根據試驗測得增壓比累積分布曲線，可得該級壓氣機壓比不低于1.57的概率為95%，符合設計要求；
試驗與仿真結果的葉片表面靜壓分布（15個測點）曲線的確認指標（Validation Metrics）
展開 壓氣機導向器葉片的鹽霧腐蝕仿真 ￥500
<p>本案例建立了一壓氣機導向器葉片模型，如圖1所示。基于COMSOL軟件的二次電流模塊仿真了壓氣機導向器葉片的電極電位，并基于電流分布殼體接口求解薄電解質域內的電解質電位。電解質膜的厚度取決于鹽負荷密度和相對濕度。氧溶解度和電解質電導率也取決于相對濕度。使用與大氣腐蝕模型相同的表達式來分析電解質膜厚、氧溶解度和電解質電導率與相對濕度的相關性。仿真結果如圖2所示。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/c238539d1c4448d385a40815ac069aa7.png" alt="Untitled11.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖1 幾何模型</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/7ac3e5fa234a4211bc4cdf934005e009.png" alt="Untitled12.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>腐蝕電流密度</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/10f4d4177d534c529e4f9a7bd34aadd1.png" alt="Untitled13.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>電極電流密度和電勢分布</strong></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎交流合作</p><p><br></p><p><br></p>
展開 【CAE案例】壓氣機旋轉失速現象的CFD仿真
01 研究背景
什么是壓氣機的旋轉失速問題？
旋轉失速是沿壓氣機周向的非均勻流動狀態。失速現象一般首先發生在葉輪處，當離心式或軸流式壓縮機的操作工況發生變動時，氣流會在葉片的凹面附近形成氣流漩渦，氣流漩渦的聚集會阻礙通道內的氣流流通，減少通道內的有效流通面積，形成氣流堵塞團，不但會使發動機性能（推力、經濟性）大為惡化，限制發動機的工作范圍，更嚴重的可能會引起發動機突然熄火，或引起壓氣機葉片劇烈振動以致葉片斷裂而造成整臺發動機的損壞。
壓縮機中的旋轉失速 壓縮機中的旋轉失速
失速現象可能對壓縮機造成嚴重損害，因此預測在何種工況下會出現旋轉失速的現象就顯得十分有必要。在本次介紹的算例中，就使用法國電力（EDF）開發的通用計算流體力學（CFD）求解器 code_saturne進行數值模擬，并將仿真結果同實驗測量數據以及FLUENT商業軟件的仿真結果進行比較，證明了code_saturne進行可壓縮流場仿真計算的可信性。
code_saturne中的可壓縮算法和湍流模型的改進
壓氣機失速現象涉及到對旋轉可壓縮氣流流場不穩定性的高精度的捕捉，針對本案例，對code_saturne內的可壓縮流求解部分的源代碼做出了以下的優化和改進。
? 對流項的離散格式增加至3階
? 使用2階Crank-Nicholson時間差分格式
? 植入并試驗了由?ada和Torrilhon提出的3階限制器
同時針對code_saturne中的k-ω SST湍流模型進行了旋轉和曲率修正，使之更加適用于旋轉氣流仿真。
為了對改進后的k-ω SST湍流模型，在code_saturne中測試了旋轉管流的經典驗證算例，模擬繞軸向旋轉的管道中的氣流流場。
展開 開源CAE Code_Saturne案例 | 壓氣機旋轉失速現象的CFD仿真
基于有限體積方法，支持多種類型網格，通過求解納維-斯托克斯方程，用于處理二維、二維對稱、三維，穩態或非穩態，層流或湍流，不可壓或微可壓流體，等溫或非等溫等多種計算問題。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)。
軟件涵蓋多種工業應用物理模塊：大氣模擬、煤粉、重質燃料及生物質的燃燒模塊、電弧與焦耳效應模塊、顆粒追蹤模塊、流體機械轉子-定子互動模塊等。為適應工業界復雜的物理問題，該軟件具備靈活的二次開發接口。其強大的并行計算能力，適用于超性能計算平臺處理大規模計算問題。該軟件在工業領域得到廣泛的應用與認可。
研究背景
什么是壓氣機的旋轉失速問題？
旋轉失速是沿壓氣機周向的非均勻流動狀態。失速現象一般首先發生在葉輪處，當離心式或軸流式壓縮機的操作工況發生變動時，氣流會在葉片的凹面附近形成氣流漩渦，氣流漩渦的聚集會阻礙通道內的氣流流通，減少通道內的有效流通面積，形成氣流堵塞團，不但會使發動機性能（推力、經濟性）大為惡化，限制發動機的工作范圍，更嚴重的可能會引起發動機突然熄火，或引起壓氣機葉片劇烈振動以致葉片斷裂而造成整臺發動機的損壞。
壓縮機中的旋轉失速
失速現象可能對壓縮機造成嚴重損害，因此預測在何種工況下會出現旋轉失速的現象就顯得十分有必要。
展開 
【EDF開源CAE】使用Code_Saturne對壓氣機旋轉失速現象的CFD仿真
基于有限體積方法，支持多種類型網格，通過求解納維-斯托克斯方程，用于處理二維、二維對稱、三維，穩態或非穩態，層流或湍流，不可壓或微可壓流體，等溫或非等溫等多種計算問題。軟件涵蓋大氣模擬、煤粉、重質燃料及生物質的燃燒、電弧與焦耳效應、顆粒追蹤、流體機械轉子-定子互動等多種工業應用物理模塊，并在工業領域得到廣泛的應用與認可。
01
研究背景
旋轉失速是沿壓氣機周向的非均勻流動狀態。失速現象一般首先發生在葉輪處，當離心式或軸流式壓縮機的操作工況發生變動時，氣流會在葉片的凹面附近形成氣流漩渦，氣流漩渦的聚集會阻礙通道內的氣流流通，減少通道內的有效流通面積，形成氣流堵塞團，不但會使發動機性能（推力、經濟性）大為惡化，限制發動機的工作范圍，更嚴重的可能會引起發動機突然熄火，或引起壓氣機葉片劇烈振動以致葉片斷裂而造成整臺發動機的損壞。
失速現象可能對壓縮機造成嚴重損害，因此預測在何種工況下會出現旋轉失速的現象就顯得十分有必要。
在本次介紹的算例中，就使用法國電力（EDF）開發的開源通用計算流體力學（CFD）求解器 Code_Saturne進行數值模擬，并將仿真結果同實驗測量數據以及FLUENT商業軟件的仿真結果進行比較，證明了Code_Saturne進行可壓縮流場仿真計算的可信性。
02
Code_Saturne仿真軟件的優勢
針對本算例計算的可壓縮旋轉氣流流場的仿真模擬，Code_Saturne開源通用流體力學計算軟件具有以下的優勢：
所有代碼全部開源算法透明，同時方便植入和嘗試特殊模型和更加先進的求解算法。
展開 燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子動力學分析
本文研究的對象是該型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子, 通過對轉子-支承建模, 使用SAMCEF專業轉子動力學分析軟件, 采用有限元素法分析了其轉子動力學特性, 包括轉子的臨界轉速計算、穩態不平衡響應分析、轉子穩定性分析等。驗證了其在工程應用方面的可用性及可靠性, 同時得出了分析其動力學特性的基本方法及結論。
1 結構簡介
該型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子呈軸流輪轂式整體結構, 它由9級低壓壓氣機和1級低壓渦輪組成, 低壓壓氣機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級低壓壓氣機輪盤、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。低壓渦輪壓氣機轉子呈3點支承結構, 前支承采用徑向止推滾珠軸承, 支承點位于壓氣機0級輪盤前段, 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, 支承點位于低壓壓氣機后軸徑后段;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, 支承點位于低壓渦輪軸后段。
2 計算模型
該型燃機低壓渦輪壓氣機轉子的3D模型較大,這將導致在網格劃分以及計算過程中花費大量時間,因此我們對本機組的計算采用2D軸對稱模型。在總體直角坐標系下建立二維軸對稱單元, 其種類有3節點或高階6 節點的三角形單元、4 節點或高階8 節點的四邊形單元。每個節點有9個自由度, 前6個自由度與梁單元一樣, 分別為沿旋轉軸線方向的拉伸和扭轉, 以及由彎曲而引起的其他2個方向的線位移和角位移。另外, 3個自由度與旋轉軸的橫截面變形有關, 分別為拉伸引起的徑向位移和彎曲引起的2個切向位移。同時, 使用這類單元可以很好地模擬轉子的“渦動效應” 。
建立總體直角坐標系(X , Y , Z )和局部圓柱坐標系(er, z , eθ)。
展開 三維單級軸流壓氣機
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例模擬了單級軸流壓氣機。轉子葉片的流動是在旋轉參考框架中計算的，而定子葉片的流動在靜止框架中計算。這種情況的目的是驗證基于壓力的耦合求解器的可壓縮渦輪機械問題與混合平面的性能。流動是可壓縮的、湍流的和穩定的。
計算域：轉子葉片數量為16，定子葉片數量為40
物質屬性：物質密度為理想氣體，摩爾數為28.966，粘度為Sutherland’s law，比熱為1006.43J/kg-K
邊界條件：轉子轉速37,500rpm，入口壓力為 1 atm，溫度為288 K
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為76800
計算設置
本次計算為穩定的、湍流的、可壓縮的，基于壓力的耦合解算器流動。
展開 某型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子動力學分析
為了獲得某型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子的動力學特性，并驗證其穩定性及可靠性，本文使用ＳＡＭｃＥＦ／Ｆｉｅｌｄ軟件的轉子動力學分析模塊對該轉子進行了分析計算。根據機組實際運行的條件，計算了該機組轉子的臨界轉速、穩態不平衡響應、葉片丟失瞬態響應等。計算結果表明，臨界轉速安全系數合理；轉子系統選取的平衡量具有較小的振動幅值；轉子的瞬態響應結果驗證了結構方案的合理性，轉子系統具有較好的穩定性。得出了此轉子結構方案能保證低壓渦輪壓氣機穩定運行的結論
某型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子動力學分析.pdf
氦氣透平壓氣機轉子動力學分析
作者：王旭 周傳月 關鍵字：氦氣透平壓氣機 轉子動力學 電磁軸承
本文用Samcef Rotor軟件對氦氣透平壓氣機轉子支承系統進行轉子動力學計算與分析，通過大量分析計算，為氦氣透平壓氣機總體結構設計提供設計依據。
1.引言
清華大學IOMW高溫氣冷實驗堆HTR-IOGT項目是國家863重點攻關項目，氦氣透平壓氣機組（以下簡稱氦氣輪機）是該項目能量轉換的核心設備。氦氣輪機主要由低壓壓氣機、高壓壓氣機、氦氣渦輪以及壓氣機和渦輪的進排氣裝置組成。氦氣輪機采用單軸立式布置，工作時由徑向電磁軸承和軸向止推電磁軸承支承、非工作狀態由徑向機械軸承和軸向止推機械軸承支承。由于氦氣輪機采用單軸雙支承結構，從而決定了其柔性轉子的動力學特征。在總體結構設計上，如何調整轉子臨界轉速、如何確保轉子過臨界時較小的振動幅值以及如何保證計算的準確性等，這些都是我們十分關心的問題。本文就是針對上述問題，論述工程設計中配合總體結構設計，進行氦氣輪機轉子臨界轉速與振型計算以及氦氣輪機轉子穩態諧波響應計算與分析。
2.計算模型
2.1 幾何模型
圖1為氦氣輪機轉子結構。從左到右分別為低壓壓氣機轉子前軸及其上的支承、低壓壓氣機轉子、高低壓壓氣機間聯接軸、高壓壓氣機轉子、高壓壓氣機與氦氣渦輪間聯接軸、氦氣渦輪、渦輪后軸及其上的支承。
圖1 氦氣輪機轉子支承結構
轉子動力學計算是配合氦氣輪機總體結構設計進行的，因此，要求計算結果要保證一定的精度，同時還要進行很多不同結構方案的計算，而氦氣輪機轉子結構復雜，完全模擬轉子的實際結構會給計算帶來很大的不便，甚至會產生局部振動干擾整個轉子的動力學計算的情況。基于上述考慮，決定計算模型采用三維計算模型，但對三維模型進行必要合理的簡化。
展開 小型高速離心壓氣機設計
小型高速離心壓氣機設計
壓氣機盤模態及靜力學分析
本文采用壓氣機盤模型（包含small features和to thin solids）,采用simsolid進行模態分析及離心載荷下的靜力學分析，并與ansys workbench軟件的計算結果進行比較，發現對于含小特征及薄壁結構模型的模態分析，simsolid對小特征及薄壁結構的局部模態捕捉不佳。進行靜力學分析時，要注意simsolid計算得到的約束處的應力可能不是真實應力。
幾何模型：
geometry.rar
simsolid模型：
static.part1.rar
static.part2.rar
Compressor 2_mode.rar
壓氣機動葉流場仿真分析
今天給大家帶來的是采用INTESIM CFD軟件進行壓氣機動葉流場仿真分析。建立動葉片單流道模型，使用周期邊界條件及單旋轉坐標系SRF方法，模擬動葉旋轉流場，分析時采用 SST kw 湍流模型。
壓氣機模型
單流道計算域
選擇“單位設置" 在彈出窗口中選擇“SI（m,kg,s,K,A）”國際單位
新建物理模型，選擇“Compressible Flow"
進行流體仿真控制。
在基本設置中，流體性質選擇“湍流”，湍流模型為SST，介質屬性設置為理想氣體，粘性模型為Sutherland模型
在求解控制中，對流離散項為REO格式，熵修正系數為0.2；線性方程組求解最大迭代次數設置為50次 ；CFL縮減因子設置為4
設置分析類型，迭代次數2000次 ? 勾選“自適應CFL”，設置 CFL初始值為5、衰減因子1.5、增長因子0.5、最小值5、最大值10
設置入口邊界：
右鍵單擊"邊界條件>入口>亞音速入口” ，選擇節點組件“inlet”,“入口設定類型”選擇“熱力學量”，輸入總溫318K、總壓101325Pa、流動方向為+Y
設置出口邊界
選擇節點組件“outlet”，輸入“靜壓”101325Pa
選擇節點組件“hub、 “shround”與“wall_yepian”，設置“恒定熱流” 為0，即絕熱壁面
定義交界面
在彈出窗口中選中組件“peri_1”和“peri_2”，單擊“確定”
設置周期邊界條件，選擇網格交界面。
展開 利用STAR-CCM+對壓氣機葉型進行優化
壓氣機作為發動機的重要部件，對發動機性能有重要影響；在高推重比渦輪風扇發動機中，高負荷跨聲速壓氣機內部的流動情況復雜多變，葉型損失和二次流損失大大增加了壓氣機的設計難度；研究壓氣機三維葉片和流道對激波和復雜二次流動的影響機理及提升相應的控制技術，使得壓氣機優化設計成為高性能壓氣機設計過程中至關重要的環節。
數值方法
研究模型
研究對象為跨聲速壓氣機轉子NASA Rotor 37轉子， Rotor 37是NASA Glenn Research Center于 20 世紀 70 年代設計的四個高壓壓氣機進口級之一，后來NASA采用激光測速儀和探針對孤立轉子流場進行了詳細的測量，如圖。
展開 某型壓氣機葉片檢測效率提升
一直以來，航空發動機始終是我國飛機制造業的短板。為此，我國于2016年成立中國航空發動機集團，舉全國之力攻克此項難題。 作為航空發動機的核心零件-葉片，對發動機的性能起著至關重要的作用，隨著航空發動機性能的要求越來越苛刻，對于葉片的要求也越來越高，目前幾乎所有的葉片都要求100%全檢，對于每個葉片幾乎都是全型面檢測，這樣就給葉片的檢測精度和檢測效率提出了更高的要求。
某型葉片的基本特征：
該型葉片共計需要測量11個檔位，其中中間檔位的出氣邊 （Trailing Edge） R僅為0.13mm，角向定位面的寬度僅為2.5mm。
通常客戶采用三坐標接觸式掃描測頭（SP25）測量。由于角向定位面很小，客戶一般要借助輔助夾具來實現角向的定位。此種測法有諸多弊端：
a) 測量效率低（掃描速度約為10MM/S）；
b) 掃描截面時存在余弦誤差（cosine error）；
c) 角向定位誤差大；
d) 另外，由于掃描測頭只有在恒定速率下，測量值才穩定，所以在測頭加速和減速時數值需要剔除掉，為此測頭必須提前開始掃描曲線，結束時也需要多掃一段，以便保證測量型面時的速度是恒定不變的，但同時也增加了無謂的測量時間。
測量完此類葉片（含裝夾，建基準，出報告）單片大約需要15分鐘。
為此我們為客戶提供了非接觸式白光測量解決方案（CORE-DS）
首先測量效率高：掃描速度高達100mm/s以該型葉片為例,白光測量僅需6分40秒（含裝夾，建基準，出報告）。
測頭校正時間短，測頭一次校正，所有的角度都可以使用。
不存在掃描測頭加速和減速時的不穩定性
沒有余弦誤差，光點直徑僅為35um，直接測得截面實際值，不存在測球半徑補償。
余弦誤差示意圖：接觸式接觸的是圖中的7點
展開 基于CAESES建模的壓氣機蝸殼優化
最后使用mateface功能，完成蝸舌創建，得到壓殼模型如下。
最后，創建完成該模型后則可以通過CAESES優化模塊進行性能優化，或者各個參數對性能影響的分析工作。該部分的操作和執行方式見其他文檔描述。
以下是根據優化進口面積大小和最大外輪廓半徑得到的優化結果。
