軸流壓縮機仿真的案例
ANSYS Fluent驗證案例：軸流壓縮機
本案例計算單級軸流壓縮機內部流場，并驗證出口壓力及流量。
1 問題描述
計算模型如圖所示。
采用單個轉子葉片與單個定子葉片進行計算，利用旋轉參考系模型模擬轉子的轉動，計算參數如表所示。
采用穩態、湍流計算，考慮氣體的可壓縮性，利用理想氣體模型計算密度。
2 Fluent設置
2.1 Models設置
右鍵選擇模型樹節點Models > Energy，點擊彈出菜單項On打開能量模型
右鍵選擇模型樹節點Model > Viscous，點擊彈出菜單項Model → Standard k-epsilon開啟湍流模型
2.2 Materials
鼠標雙擊模型樹節點Materials > Fluid > air，彈出材料屬性設置對話框，如下圖所示進行設置
2.3 Cell Zone Conditions
鼠標雙擊模型樹節點Cell Zone Conditions > fluid-rotor，彈出對話框中激活選項Frame Motion
設置Rotational Velocity為-37500 rpm，設置Rotation-Axis Direction為X軸方向，如下圖所示
注：旋轉方向根據旋轉軸方向及旋轉速度，由右手定則來確定。
展開 論文分享 | 壓縮機設計:軸流式、混流式還是離心式？
2021年我最喜歡的是一篇名為《選擇一臺壓縮機的子午向拓撲形式：軸流式、混流式、離心式》的論文。一篇好的論文不僅應顯示出作者有多聰明(盡管他們顯然是聰明的)，更重要的是教給讀者一些他們可以在自己的行業中使用的東西。這篇論文的主要作者為Smyth 和 Miller，來自劍橋大學的惠特爾實驗室。這位Smyth不是著名的史密斯圖表中的史密斯，但顯然是受到了與他同名的史密斯的啟發。
這篇論文的基本前提是通過將離心式、混流式、軸流式壓縮機的布局視為流量“負荷”的函數來找到最佳設計點。多年來，很多論文都是以此為思路展開了研究。多種不同的方法按照旋轉機械的不同種類（泵、壓縮機、渦輪）和不同的設計形式（離心式、混流式、軸流式）被開發出來。針對不同類型的渦輪機械(泵、壓氣機、渦輪)和不同類型的設計(徑向、混合、軸向)開發了不同的方法。這些方法在設計的初始階段是有效的，因此被廣泛使用。但是這些有效的方法到底有多好還有待商榷。這些方法中的部分方法的確相對其他方法更好，但在我看來，所有這些方法都有三個基本的弱點：
○需要恰當選擇相關設計參數
○校正時都是基于有限的數據集
○設計起點沒有考慮（工況）范圍
（那么如何恰當的選擇相關設計參數呢？）作者并不認可比轉速這一離心式壓縮機的設計概念，聲稱它沒有物理意義，因此不適合用作選擇標準。相反，他們將“負載”定義為m1/r1 r3 W，這使得它大致相當于進口流量系數。我不認為這是最終的相關設計參數（如果這個所謂最終的相關設計參數真的存在的話）。但我同意這個參數是一個很好的選擇，遠比比轉速有價值。另一個相關參數就是傳統的載荷系數Dh/U22。
本篇論文克服第二個潛在弱點（校正時都是基于有限的數據集）的方法是利用大量CFD使得結論具有統計學意義。
展開 TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展
壓縮相同容積的氣體時，具有復雜流道的多級離心壓縮機機器尺寸比軸流壓縮機大的多。另外，軸流機的故障率較低，比離心機少很多。沒有易損件，維護也比離心機方便。
我國近年來軸流壓縮機設計技術快速提升，但是現在工業的迅速發展，催使軸流壓縮機設計需要更大的葉輪直徑、更高的流量系數、更廣的高效運行區、更低的泄漏量，進而實現同等量級壓縮機在尺寸上進一步減小，生產制造成本的進一步降低。未來，更先進的設計理念及更精確到CFD仿真技術，更新穎高效的結構布局、高度集成的系統會不斷的出現，必然會促使軸流壓縮機設計技術的快速進步。
目前，隨著設計認知進一步提高，國際上流體機械的研發工具在國內不斷的推進，加快了我國自主研發的水平，但具有自主知識產權的CAE設計軟件在國內屈指可數。在高端軸流壓縮機設計的國家，CAE建模仿真技術一直在制造業發展中的戰略核心位置，高性能計算建模與模擬能夠明顯的縮短設計周期，加強競爭力，將其立于服務于國家利益的關鍵技術。
設計先進、高效、經濟、緊湊的葉輪機械，同時降低設計成本和縮短設計周期，已經成為現代葉輪機械設計的一個重要目標。
展開 陳海生團隊：跨聲速軸流壓縮機動靜葉彎參數耦合關系
壓縮空氣儲能(CAES)系統既可用于削峰填谷，也可使不穩定電力平滑輸出，增強電網的抗沖擊能力，提高調節幅度，更好地實現供需平衡，從而提高供電安全性和經濟性。壓縮機是CAES系統的關鍵部件之一，其作用是利用待存儲的電能對空氣做功使其壓縮，將電能轉化為壓力勢能和內能存儲起來。CAES系統采用的壓縮機需要有流量大、工況寬、效率高等特點，而軸流壓縮機雖然具有流量大、效率高等優點，但是其穩定工作范圍較窄。因此，要將軸流壓縮機廣泛應用于CAES系統，就需要針對提高其穩定工作范圍進行深入研究。
就這一研究課題，諸多學者開展相關研究工作，包括主動流動控制措施，如附面層抽吸、葉尖噴氣等，以及被動控制方法，如機匣處理、渦流發生器、非軸對稱端壁成型、彎掠技術等。由于主動流動控制會增加系統的復雜性和維護成本，在壓縮空氣儲能系統中更傾向于采用被動控制方法。彎掠技術是提高軸流壓縮機氣動性能的有效措施之一。
1963年，Smith等針對NACA翼型進行彎掠葉片的實驗研究，提出在軸流葉輪機械設計中考慮彎和掠影響的近似方法。1984年，Breugelmans等針對NACA葉片進行實驗研究，發現彎葉片對二次流的發展有著較大的影響。1990年，王仲奇等研究彎葉片對氣流參數沿葉高方向分布的影響，發現彎葉片能夠增大最小氣流角，減小最大氣流角，在葉展方向，使氣流角更加接近設計值，從而改善葉片的氣動性能。1997年，Weingold等對三級軸流壓縮機進行研究，發現彎葉片會使流場產生徑向力，降低吸力面角區的擴散速度，延遲角區分離。1999年，Denton等指出彎葉片可以減少端壁損失、葉尖泄漏損失，并總結出3種機理，這3種機理從不同的角度解釋為什么采用彎葉片會減少端壁損失。
展開 
壓縮機仿真：補氣式滾動轉子壓縮機的CFD仿真及優化研究
壓縮機出口閥片和補氣結構的閥片，其打開和關閉過程受流場作用和閥片結構本身的材質影響，需要考慮整個過程的流固耦合作用，通常需要構建動力學模型描述整個運動過程，同時需要將運動規律映射到網格運動，使閥片的開關過程與動網格描述保持一致。
需要考慮制冷劑介質的真實氣體物性。
02
基于Simerics-MP+的滾動活塞壓縮機CFD分析解決方案
基于上述CFD分析技術難點的概述，采用通用的CFD仿真技術并不能較好的解決滾動轉子壓縮機的熱力學仿真分析。基于此，本文將介紹一種專業型壓縮機CFD仿真分析工具SimericsMP+進行補氣式滾動轉子壓縮機仿真的方法。
Simerics-MP+（原PumpLinx）為專業級的具有多領域獨特應用優勢的CFD仿真工具，具備包括船舶、車輛、葉輪機械、容積式泵/壓縮機、閥門以及系統仿真等在內的多個專業模塊，可針對不同的領域分析特點準確高效的完成網格劃分、動網格設置、計算模型設置計算以及后處理等工作。
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
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 螺桿壓縮機仿真：Simerics 螺桿壓縮機網格模板介紹
螺桿式壓縮機又稱螺桿壓縮機，分為單螺桿式壓縮機及雙螺桿式壓縮機。由于其結構簡單、易損件少，能在大的壓力差或壓力比的工況下工作，排氣溫度低，對制冷劑中含有大量的潤滑油不敏感，有良好的輸氣量調節性，螺桿式壓縮機廣泛地應用在冷凍、冷藏、空調和化工工藝等制冷裝置上。此外，以螺桿式壓縮機為主機的螺桿式熱泵廣泛應用在采暖空調方面，有空氣熱源型、水熱泵型、熱回收型、冰蓄冷型等。
其中，單螺桿壓縮機主要由一個圓柱形螺桿、兩個平面星輪和機殼組成的。螺桿和星輪組成嚙合副裝在機殼內，由螺桿槽、星輪、機殼組成密封容積變化的氣腔。當螺桿主軸在外部電機的驅動下運轉時，星輪也隨著螺桿運轉。兩個星輪將螺桿分成對稱獨立的封閉空間，當螺桿轉動時,星輪在螺旋槽內相對運動，改變星輪、螺旋槽、機殼組成的密封空間的大小，實現吸氣、壓縮、排氣的過程。
圖1 單螺桿壓縮機
單螺桿壓縮機雖然具有零部件少、重量輕、機械效率高、噪聲低和振動小等優勢，但由于其結構緊湊，壓縮機轉子齒頂密封齒與殼體之間的泄露間隙非常小，使得其三維CFD仿真變得十分困難。
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?
離心壓縮機機理模型在仿真時，壓縮機的溫度、壓力、流量以及其它成分均來自現場DCS讀取的過程數據。一般在設計工況附近，壓縮機有最高效率，流動情況最完善；當流量增大時，由于摩擦損失和沖擊損失明顯增大，級效率將下降；當流量減小時，分離沖擊損失明顯減小。
此外，由于流量減小，相對的漏氣損失和輪阻損失也增大，所以也使級效率降低。壓縮機性能不僅反映了級壓比、效率等與流量的關系外，也反映了級的穩定工況范圍的大小。
文章來源：蚌埠榮強壓縮機
軸流通風機葉片模態仿真及其對氣動噪聲的影響
軸流通風機當其葉片較薄以及過度前掠，重心偏離葉根截面中心時，較高轉 速造成的離心力和不穩定進氣流造成的葉片升力的變化，很容易激發葉片振動。
同時由于流固耦合，還可能造成葉片的馳振，使葉片提前疲勞損壞，降低風機效率, 并產生較大的氣動噪聲。
在葉輪設計時有必要對其振動模態進行計算，但葉片葉身曲面復雜，用經典 理論無法求解，因此必須借用有限元模型來計算。ANSYS是當今比較有名的有限 元分析軟件之一，具有多種物理場的求解功能，可以很方便地進行模態分析；大型 CAD系統軟件UniGraphics具有豐富的曲面造型功能，非常適合于葉輪等具有復 雜曲面實體的造型，建好的實體模型導入ANSYS即可進行模態分析。
1. 葉輪CAD模型建立和接口導入
1.1 葉輪基本參數
軸流通風機為整體注塑 ABS塑料葉輪，葉片數為4,葉片較寬，葉片呈前掠狀。
工作轉速為860r/min,輪轂直徑為0.147m,葉輪外徑為0.42m。
1.2 幾何建模建立
通過三坐標測量儀測量得到葉片表面型值點，將點陣連接成曲面，并利用軟件 UG的曲面剪裁和縫合功能，將葉片的曲面連接起來。一旦所有曲面被縫合就自動 生成以各曲面為邊界的實體。
葉輪為循環對稱結構，為加快有限元分析過程，利用ANSYS的循環對稱分析 功能,對一個90°基本扇區進行求解。建模時使全局坐標系的Z軸與葉輪旋轉軸線 對應，建立完整葉輪模型，然后用過輪轂軸線兩個相互夾角為 90°的兩個平面切出 1/4的葉輪模型。
展開 
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 CFD數值仿真分析：進氣道+無人機整機分析+軸流泵+旋轉機械被動計算
本人可以提供整機低速不可壓、亞音速、超音速飛機整機氣動計算，飛機進氣道相關數值仿真分析進氣道的總壓恢復系數、畸變等；同時可以提供旋轉機械流體計算分析：1 給定轉速求進出口壓差及流場 2 給定相關參數被動計算轉子轉速（FLUENT 6dof+交界面法，后期會以視頻形式給出）；以下為本人相關工作：
圖1 進氣道半模模型結構網格
圖2 0.3Ma下進氣道速度云圖
圖3 軸流泵pro/e模型
手把手教你做小型除濕機的設計和壓縮機仿真分析！！
我們常用的家用小型除濕機，一般采用的是冷凍除濕原理，其本質就是一臺空調機組（我們家用空調也具有除濕模式），通過蒸發器盤管冷凝空氣中的小液滴，將空氣中的水析出來，達到除濕的目的。做小型家用除濕機的仿真，本質就是做制冷系統的仿真模擬。一般除濕機具有自己的國標工況（27℃/60%相對濕度），測試出來的除濕量就是銘牌數據了。
一、原理：
先了解下除濕機的原理：
上圖為一體式除濕機的示意圖，濕空氣先經過蒸發器盤管，降溫、除濕，析出來的水通過排水管排走；低溫空氣從蒸發器出來以后，進入到冷凝器盤管后升溫，從除濕機出來的就是干空氣了。我們從原理上可以，如果該一體式除濕機在密閉式空間，隨著時間的推進，房間內的空氣溫度會逐漸升高的，這是由于制冷系統內的制熱量會大于制冷量所決定的。
二、設計要點
小型家用除濕機裝置基本是按照家用空調去做設計的，其制冷系統可以參考以下的思路進行設計和模擬仿真：
制冷劑：通常采用R410A比較多。
壓縮機：與家用空調壓縮機基本相同，采用轉子式壓縮機，品牌主要可以采用海立轉子式壓縮機；可以根據樣本資料，輸入排量進行壓縮機的仿真。
冷凝器：采用翅片管式換熱器，Vapcyc軟件可以導入Coildesigner的換熱器模型進行仿真計算；
節流結構：目前小型家用除濕機采用毛細管和電子膨脹閥比較偏多。
蒸發器：采用翅片管式換熱器，Vapcyc軟件可以導入Coildesigner的換熱器模型進行仿真計算；需要注意的是，Vapcyc導入蒸發器模型的時候，需要考慮蒸發器的潛熱負荷，可以選用如下帶潛熱負荷的蒸發器模型：
管道模型：
一體式的除濕機管道都比較偏短，一般的仿真模型中我們可以不考慮管道的影響，如果是需要做系統的優化，建議考慮增加吸氣、排氣、液管的管道模型。
展開 離心式壓縮機仿真案例
一、多參坐標系描述
旋轉機械問題設計到旋轉的流體域（rotating flow domain），所有的旋轉部件（moving parts，fan blades，hub，shaft surfaces...）是以一定的角速度進行旋轉的，靜止壁面（stationary walls，shrouds-蓋板，duct walls-風道壁面）是關于旋轉軸的轉轉曲面（surfaces of revolution），所涉及到的整體域被作為一個單一旋轉參考坐標系（a single rotating frame of reference）；然而當其中一部分是關于不同旋轉軸進行轉轉，或關于相同的軸按照不同的速度旋轉或靜止壁面不屬于“surfaces of revolution”（如在離心式壓縮機輪子周圍的蝸殼），單一的旋轉坐標系統（single rotating coordinate system）已不能夠滿足使計算域固定（immobilize），為了預測穩態的流場，因此必須以“多參考坐標系”（multiple reference frames）的方式進行仿真；
離心式鼓風機（Centrifugal blower）2D模型：
使用MRF模型能夠分析與一個或多個旋轉部件相關的流動特性，在一個單一計算域內多旋轉參考坐標系能夠被使用，流場結果代表旋轉部件移動到某一位置時的瞬態結果（snapshot-抓拍of the transient flow field）；然而在很多案例中交界面能夠以這種方式進行選擇-在該位置的流場是獨立于移動部件的方向的，這就意味著如果交界面能夠被繪制（drawn）以具有很小或者沒有角度依賴性（little or no angular dependence），MRF模型能夠成為可靠的工具用于時均流場的求解（time-averaged flow fields
展開 