浅析离心压缩机设计与流固耦合仿真
离心式压缩机具有气量大、结构简单、运行稳定等优点,其中多级式离心压缩机同时具备高排气压力、高效率、工作区宽、节能等特点。在国民经济中的多数领域,离心压缩机作为高速透平机械运用极为广泛,尤其是在化工、矿业、冶金、石油、制冷和动力等部门中广泛地使用压缩机来输送气体。由于架设压缩机价格不菲、且运行耗能较大、运行性能直接关系到整个设备的经济效益、运行的安全性决定着整个设备的可靠性,它就成为了备受关注的心脏设备。因此,设计高效节能的压缩机叶轮是设计人员不断提升的目标。

离心压缩机叶轮结构复杂,工况和工作环境也复杂多变,长期高速运转的叶轮处在十分复杂的动力环境中,除了承受着自身离心力、叶轮与轴过盈配合产生的残余应力和稳定气流力的作用外也经受着多种非稳态气流的共同作用。由于叶轮叶片压力面与吸力面的气体流动不同,在非稳态气流作用下会引起叶片压力面和吸力面产生交变压差,这种交变压差将导致叶片产生振动和变形。若非稳态气流变化频率过高,叶片极易产生高周疲劳,高周应力引起的疲劳破坏是叶轮叶片产生裂纹和局部断裂脱落的主要原因。

为了探明叶轮温度场模型及应力场模型,对于叶轮产生的应力破坏,以离心压缩机为研究对象,进行基于流固耦合的数值模拟研究,对于离心压缩机的热力学特性和可靠性研究具有重要意义。流固耦合是指在流场作用下变形固体的各种行为以及固体位形对流场的交互影响。从CAE实现方式来看,主要有双向耦合和单向耦合两种方式,考虑到实现难度和计算成本,本文主要介绍基于Simerics-MP+与ANSYS之间的单向耦合过程。即如何利用Simerics-MP+进行压缩机的热流场仿真,并结合有限元分析工具进行压缩机的流固耦合仿真分析,通过离心压缩机内部流场与叶轮流固耦合强度分析,从热气动分析角度研究叶片失效(断裂等)因素对于叶轮结构设计的参考和优化指导。

压缩机设计与流固耦合仿真技术路线
本技术方案引入专业的压缩机参数化设计工具CFturbo,压缩机热流场仿真分析工具Simerics-MP+(原PumpLinx),以及有限元分析工具来进行压缩机的设计仿真优化和结构校核模拟。其中CFturbo与Simerics-MP+之间具备设计仿真的无缝集成接口,即CFturbo设计的方案模型可在CFturbo中直接转换为Simerics-MP+可用的模型,并自动启动Simerics-MP+进行热流体计算,而无需其他的前处理和求解设置工作。


CFturbo与Simerics-MP+无缝集成特征

Simerics-MP+的前身即专业的运动机械仿真工具PumpLinx,对于压缩机及其他运动机械的热流场仿真分析而言,由于其内置的压缩机分析模板、快速高效的前处理和求解功能,使得压缩机的热力学模拟过程十分高效,其MPI高并行功能则更加速了这一进程。而对于一些非理想工况,也可以通过其内置的Nist真实物性数据提取的小程序,实现压缩机真实气体热流场的模拟,更提高了模拟的精确性。

压缩机快速设计与分析

由于压缩机高速旋转以及工作过程的热力学效应,对压缩机结构件的仿真校核十分必要。在Simerics-MP+的热力学计算完成后,往往可以选择输出壁面的压力和温度(或热流密度)载荷,施加到有限元分析工具进行热应力的计算校核。由于大多数的结构有限元工具均具备通用的数据插值格式,因此按照对应软件的格式要求进行编辑,即可顺利加载进行后续的流固耦合分析工作。目前可支持大多数主流有限元分析工具的单向耦合,如Abaqus、Nastran、经典ANSYS等。本文则以ANSYS Workbench为例介绍主要的实现流程。

而值得注意的是,由于CFturbo不仅可以进行流道的设计优化,同时也可以对结构固体部分进行加厚设计,因此更便于设计人员进行后续的结构有限元分析。

CFturbo结构固体部分的加厚设计

基于上述软件工具与计算方法的结合,压缩机的设计与流固耦合分析的实现途径不仅实现简便且十分高效。其主要的技术路线如下:

在CFturbo中进行压缩机整机设计以及叶轮结构部分设计;流体域部分可无缝输出Simerics-MP+中进行热流场计算,并得到结构固体壁面的温度以及压力分布,加载至结构有限元分析工具,进行后续的结构应力应变分析。

离心压缩机设计与流固耦合技术路线
下面让小编带大家看看具体案例的实现过程吧。


离心压缩机设计与流固耦合仿真案例

  • 离心压缩机几何模型设计

本案例在CFturbo中进行了单级离心压缩机的设计,包括离心压缩机叶轮、进口段和叶片式扩压器等组成部件,如下为具体设计参数:

表1

利用CFturbo内置的离心压缩机设计经验函数和相关文献资料和已有设计经验,最终获得压缩机的设计方案如下:
表2 离心叶轮主要参数

离心压缩机二维子午面与三维模型如下图:

离心压缩机设计方案

此外,在CFturbo中进行了离心压缩机叶轮部分固体域的加厚设计,如下图:

压缩机轮盘结构

在CFturbo中完成压缩机的设计工作后,可直接进行流体域和结构域的切割工作,方便设计人员进行后续的数值分析工作。其中流体域模型如下:

离心压缩机流体域


  • 离心压缩机热力学仿真计算

基于CFturbo与Simerics-MP+的无缝集成接口,通过CFturbo设计的离心压缩机整机流体域模型可直接导出并激活Simerics-MP+软件进行CFD仿真,且前处理网格划分、模型设置及求解等工作均自动完成,只需启动仿真计算即可查看结果。

针对离心压缩机各部件,Simerics-MP+自动网格划分结果如下:

离心压缩机流体域网格

默认物理模型考虑了湍流与传热并添加了相应模型,边界条件:进口总压-1.013bar、进口总温20°C、出口体积流量1.3263m^3/s、转速22360rpm。CFturbo输出设置时可选择稳态或瞬态计算,本案例以稳态计算1500步为例展示部分过程结果图片。

下图为Simerics-MP+离心压缩机仿真界面,集前处理、求解与后处理于一体,从收敛曲线趋势可以看到,仿真模型具有良好的收敛特性,较短时间步内即可获得良好的收敛解,且几乎不需要任何调试。

图6离心压缩机仿真界面

为判断离心压缩机仿真是否遵循质量守恒定律,提取了进出口质量流量之和的曲线分布,如下图所示。在迭代600步后,曲线稳定且进出口质量之和为0,满足质量守恒。

离心压缩机进出口质量流量之和

下图为离心压缩机进口体积流量曲线,稳定值为179150L/min。

离心压缩机出口体积流量曲线

离心压缩机转子的温度与压力分布结果如下:

离心压缩机转子温度分布

 
离心压缩机转子压力分布

在Simerics-MP+启动计算之前,可以选择相关的壁面边界(如叶轮、导叶等),输出对应的压力和温度分布,以便后续加载到结构分析工具中进行结构热应力分析。如下图所示:


  • 离心压缩机热应力仿真

将Simerics MP+中叶轮表面处的温度与压力分布导入至ANSYS Workbench 中进行后续的结构分析。

调用Steady-state Thermal 热分析模块和Static Structural结构分析模块。采用External Date导入Simerics-MP+中的流体压力与温度计算结果。

创建相应的工作流如下:

工作流示意图
叶轮结构域网格单元总数为110万,如下图:   

叶轮结构网格
边界条件给定轴端面为固定约束。

通过考虑流体压力载荷以及热分布对结构应力的影响,通过结构有限元分析计算得到的部分计算结果如下:


叶轮Von.Mises应力分布图



叶轮总变形分布图


叶轮径向变形分布图

小结与展望
如前文所述,基于CFturbo&Simerics-MP+&结构有限元分析工具可快速建立压缩机的设计与流固耦合仿真分析流程,通过CAE软件技术助力压缩机的设计、仿真、性能优化与结构校核,该方法同样可适用于其他类型的叶轮机械。其可为设计人员带来的价值效益与更进一步的分析工作有:


  • 设计与仿真的无缝集成,以及设计工具与热力学仿真分析工具的专业性,使压缩机等叶轮机械的设计优化效率得到了极大的提高,且完全适用于CAD设计人员进行方案的设计改进;
  • 由于结构件的变形量有限,对于压缩机热流场的仿真精度影响有限,因此采用单向流固耦合计算的方法,不仅降低了计算难度,提高了计算效率,同时其计算结果也具有实用性;
  • 对于运动机械而言,考虑到瞬态流场可能引起的热应力、噪声、振动仿真分析,需要加载随时间变化的压力和温度(或热流密度)分布,进行非定常的流固耦合分析,是许多客户关注的问题。Simerics-MP+同样支持瞬时结果的输出,可满足瞬态过程的耦合计算。


相关视频教程:基于CFturbo&Simerics-MP+的离心压缩机设计、仿真教程