【技术分享】独一无二的螺杆机械仿真技术！

背景描述

螺杆泵/压缩机是一种应用广泛的通用机械，由于其结构复杂，采用CFD技术对其进行分析时异常困难，主要都是基于试验进行性能分析设计。当前，对于螺杆机械公开发表的CFD分析文献很少，数值仿真还未发挥应有的价值。

近期，美国Simerics公司联合伦敦城市大学采用SCORG+Pumplinx的方法对螺杆机械进行了详细的CFD性能分析，突破了螺杆机械CFD分析的多项瓶颈，取得了喜人的成绩。本文将介绍该独一无二的技术方法。

技术难点

螺杆机械的转子结构非常复杂，对其进行CFD分析是一项高技术含量的工作，目前来看，具有相当大的技术难点：

   1、转子区域为大变形区域，需要建立高质量的结构网格；

    2、需要考虑阴阳转子之间极微小的啮合间隙；

    3、需要设置转子部分的动网格，描述由于转子流体域大变形所引起的流场变化；

    4、对于双螺杆压缩机，需要同时对流场的动力学和热力学特性（泄露、传热，排气孔口流动）的过程进行研究；

    5、对于双螺杆泵则需要考虑流场内部的空化效应；

    6、需要考虑由于流场扰动引起的流致振动及噪声。

螺杆机械仿真解决方案

针对上述技术难点，为解决螺杆机械的CFD分析难题，伦敦城市大学找到了Simerics公司，SCORG+Pumplinx的联合解决方案应运而生。SCORG是专业螺杆机械型线分析及前处理软件，可以制作螺杆机械高质量结构网格。Pumplinx是专业运动机械CFD仿真软件，具备各种专业的物理模型及强大的求解能力。

图1 SCORG+Pumplinx联合解决方案

螺杆机械数值分析案例

在进行螺杆机械的性能分析时，客户往往不能满足于一维的热力学预测，而希望能对螺杆压缩机或泵进行更为详细的三维CFD数值分析，获得螺杆机械流场的压力、速度、温度以及空化预测，以及更为精确的性能特性曲线。

联合SCORG与PumpLinx即可实现螺杆机械的三维非定常数值分析。

下图为某双螺杆压缩机的三维模型，提取后的流体域部分由吸入段、排出段和转子部分构成。

图2 双螺杆压缩机几何模型

SCORG为专业的双螺杆机械型线分析和前处理软件，通过输入双螺杆机械阴阳转子型线数据和齿数、节距及轴径等相关参数，即可自动生成双螺杆压缩机转子部分结构网格。

图3 转子区域网格

图4 啮合间隙处网格

   SCORG与PumpLinx实现无缝集成，SCORG生成的转子结构网格可直接输入至PumpLinx。PumpLinx内置有螺杆压缩机的数值分析模板，通过输入螺杆压缩机的齿数、转速、旋转中心等运行参数，即可自动设置螺杆压缩机转子部分的动网格，进而进行流场数值分析。

   在PumpLinx中调用双螺杆压缩机模板并设置动网格后，设置该分析模型的边界条件和介质参数，即可对该压缩机进行热流体分析预测，部分参数如下图所示。

图5 边界条件及物性参数

   通过对该双螺杆压缩机进行6000rpm和8000rpm两个工况的预测分析，并与试验值进行对比分析，验证了数值结果的准确性，同时也为双螺杆压缩机的产品优化及性能分析提供了一种更为便利和经济的手段。

图6 Pumplinx仿真界面

图7 Pumplinx压力计算结果动画

图8 Pumplinx温度计算结果动画

图9 仿真与试验对比(腔内压力随旋转角度变化曲线)

图10 仿真与试验对比(流量、容积效率、功率等)

其它案例简介

图11 喷油双螺杆压缩机流场分析

 
图12 斜齿轮泵流场分析

图13 多转子螺杆泵

图14 斜齿式风机

图15 变分度圆螺杆压缩机

图16 非常规螺杆机

总结

通过应用SCORG + PumpLinx软件技术方法，可以进行螺杆机械的设计和三维CFD数值分析，建立基于数值分析的快速高效的螺杆机械性能预测能力，为研发机构提供更高效的工作方式，并带来更大利益。

文章来源： PumpLinx运动机械CFD专家