仿真案例｜使用Ansys CFX提高真空吸尘抽风机效率

作者：Philipp Epple、Caslav Ilic

翻译：上海安世亚太

 

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Ansys CFX是涡轮机械性能研究的组成部分，主要研究径向风扇设计。

流体力学研究所（Lehrstuhl für strömungsmechanik,LSTM）成立了研究小组专注于涡轮机领域的研究和开发工作。这项工作包括基于综合分析设计考虑的叶轮机械设计、数值性能研究、快速原型制作、原型叶轮和扩散器以及完整风扇的实验研究。在径向压缩机领域已经进行了广泛的研究和开发，重点是用于真空吸尘器应用的径向风扇。Ansys CFX 10.0计算流体力学软件是设计过程中不可缺少的一部分。

CAD模型

通过离心式涡轮机的流动，在旋转叶轮的能量传递到气流的区域内主要是径向的。对于轴流风机来说，旋转的叶轮在能量传递发生的区域内以轴向的方式通过。轴向鼓风机的运行也正在LSTM-Erlangen进行。

离心风机在许多方面与离心泵和离心压缩机相似。这两种机器的主要区别是泵推动的液体实际上是不可压缩的，而压缩机处理气体的条件是流动流体的密度发生明显变化。通常，风扇是处理低于1.1的压缩比的设备，而鼓风机在1.1和4之间工作，而压缩机在4的压缩比以上工作。

在开发过程的第一步，LSTM-Erlangen的小组对现有的风扇进行性能研究，稍后将重新设计，达到更高的效率。这些性能研究是利用实际几何形状的CAD数据作为网格生成的基础进行的。Ansys ICEM CFD软件为复杂几何形状的快速网格生成提供了极好的工具。Ansys CFX提供了执行以下计算所需的所有多个参考框架工具：利用Ansys CFX软件，易于对真空吸尘器径向风机进行性能研究。用Ansys CFX进行CFD模拟，可以将来自试验台的流动通过叶轮和扩散器进入导叶，通过电机，再进入其后面的空间。从计算结果中可以得到非常详细的信息， 这些信息可以用来与实验研究中得到的相应结果进行比较。在LSTM-Erlangen有一个完整的试验台，以便对径向鼓风机进行数值和实验研究。

真空吸尘器风扇的详细模拟图：包括叶轮、扩散器、排丝叶片和电机

LSTM-Erlangen专门从事真空吸尘器中使用的压缩机，具有非常高的转速，通常从30,000转/分到50,000转/分。

在对实际风机进行测量和仿真后，确定改进的设计目标。这些目标一般包括在相同的压力和流量下实现更好的效率。以一个完整的新设计为目标时，进行全系统逆平均线设计，将叶轮、扩压器和脱螺旋叶片视为一个单元，而非单独的。此外，还考虑了风扇将在其中运行的系统，这样风扇将与吸尘器的运行条件完美匹配。利用Ansys CFX对ITER风机进行CFD模拟计算,通过反向全系统平均线设计,使ITER风机的设计达到规范要求成为可能。通过这种方式，LSTM-Erlangen公司有可能将真空吸尘器风扇的效率提高10%以上。Ansys CFX的一个有价值的特性是power语法，它允许使用内联Perl命令编写后处理脚本。我们用这种方法获得了验证所需的机器内部流动的精确信息，并改进了逆全系统平均线设计。

ANSYS ICEM CFD网格生成

最后，通过仔细详细的Ansys CFX模拟验证和改进了设计，几乎没有构建昂贵原型的风险。

然后在LSTM-Erlangen的试验台上进行了实验研究，并将研究结果与改进后的风机规格和CFD计算结果进行了比较。详细的全系统仿真结果与试验台上的测量结果吻合得很好。

LSTM试验台测量与ANSYS CFX仿真的比较

如果需要进一步开发，则进行修改。经过周密的设计和Ansys CFX的CFD验证和改进，很少需要进行额外的修改。