【CFD专栏】模板化CFD技术及其在压缩机数值仿真中的应用实践

压缩机的研发与设计优化主要集中在如下几个方面：性能改进、查找功率损失和流动损失的原因、通过优化主要零部件的几何结构或尺寸来提高压缩机的性能指标、改进排气量、降低噪音、提高零部件寿命等。

利用现代CFD（计算流体力学）技术模拟压缩机的流量、压力、传热、效率等参数，较快地确定压缩机内部流动状况、压力脉动、温度分布、间隙和泄露影响及容积效率等，可为工程师提供直观、具体、准确的信息，使压缩机设计方案的开发与优化设计有据可依。

压缩机多为容积式机械，且进出口配有阀片控制气体的进出，对压缩机进行CFD模拟的难度主要体现在：

Simerics MP+是Simerics公司开发的一款专业CFD软件，包含诸多面向行业应用定制的专业版本。Simerics MP+具备各类压缩机、泵、阀专业模板，可快速完成网格划分、计算模型及边界条件的设置。

Simerics MP+的模板化技术将压缩机CFD模拟的流程和规范内置到软件之中，使CFD模拟过程简单化、规范化，在大幅降低使用门槛的同时，保证了计算结果的高精度及一致性。

此外，Simerics MP+可大幅提升计算效率，与通用CFD软件相比，通常可提升5倍以上的计算速度，从而满足工程化应用的需要。

图2.1 Simerics MP+类型众多的压缩机、泵阀模板

作为专业的压缩机、阀门等流体机械的CFD模拟专家，Simerics MP+可以有效解决上述技术难题：

滚动活塞压缩机具有体积小、结构简单、效率高、噪声低等优点，广泛应用于小型空调、热泵、家用冰箱等。目前对滚动活塞压缩机的研究主要集中在性能改进、泄露影响、容积效率、热力学性能指标、振动噪声等。将Simerics MP+应用于滚动活塞压缩机，可获得滚动活塞压缩机相关性能参数从而指导其设计，主要包括：

• 获取内部流场压力、速度、温度分布；

• 容积效率预测；

• 转子和气缸间隙分析；

• 定子和转子设计与优化；

• 阀片设计与优化；

• 获取流场任一点压力脉动（瞬态模拟），减振降噪，延长寿命等。

图3.1  Simerics MP+滚动活塞压缩机结构网格划分

图3.2 Simerics MP+滚动活塞压缩机流场压力预测

涡旋压缩机具有结构紧凑、高效节能、微振低噪以及工作可靠性高等优点，被广泛应用于制冷空调领域、车用空调及其他特殊领域如涡旋增压机等。涡旋压缩机中气体的压缩是通过动静涡旋相互啮合形成封闭容积的变化来实现的，容积的大小取决于构成涡盘型线的类型和参数,不同的型线类型直接影响着压缩机的几何尺寸、动力学、热力学、功耗和效率等关键参数、加工性能、磨损、寿命和噪声等重要技术指标。将Simerics MP+应用于涡旋压缩机可以实现：

• 获取压缩机内部流场压力、速度、温度分布，以及轴向力和径向力分布；

• 容积效率预测；

• 优化压缩机涡盘型线，减少泄露；

• 优化排气孔设计；

• 获取流场任一点的压力脉动（瞬态模拟），减振降噪，延长寿命等。

图3.3 Simerics MP+涡旋压缩机结构网格划分

 图3.4 压缩机出口阀片网格模型

图3.5 涡旋压缩机流场压力分布

往复式压缩机具有压力范围广、热效率高、适应性强等特点，是化工合成、石油开采、空调制冷等领域必不可少的关键设备。往复活塞式压缩机热力计算是压缩机设计中最基本及最重要的一项工作，将Simerics MP+应用于往复活塞式压缩机可实现：

• 获取压缩机内部压力、速度、温度分布；

• 分析压缩机热力学特性；

• 优化气阀设计；

• 提高效率，降低泄露；

• 监测流场任一点的压力脉动，降低压力、流量脉动和噪声等。

往复活塞式压缩机结构模型

往复活塞式压缩机网格模型

图3.6 活塞式压缩机与进出口阀的联合仿真

Simerics MP+具有专门的罗茨压缩机模板，可快速完成转子部分的结构化动网格划分和计算模型的设置；将Simerics MP+应用于罗茨压缩机的优化设计可实现：

• 优化压缩机转子设计；

• 优化进出口流道设计；

• 分析压缩机热力学特性；

• 提高效率，降低泄露；

• 监测流场任一点的压力脉动，降低压力、流量脉动和噪声等。

图3.7  Simerics MP+罗茨压缩机网格模型

图3.8  Simerics MP+罗茨压缩机模拟界面

图3.9  罗茨压缩机流场压力分布

图3.10 罗茨压缩机流场温度分布

螺杆压缩机广泛应用于矿山、化工、动力、冶金、制冷等工业部门。将Simerics MP+应用于螺杆压缩机的优化设计可实现：

• 优化压缩机转子型线和转子几何设计；

• 优化排气孔口设计；

• 分析间隙、泄露对压缩机性能的影响；

• 优化热力学特性；

• 喷油口设计及优化；

• 监测流场任一点的压力脉动，降噪减振、延长压缩机寿命等。

图3.11 单螺杆压缩机网格模型

图3.12 单螺杆压缩机速度分布

图3.13 双螺杆压缩机仿真：温度分布

图3.14 喷油双螺杆压缩机仿真：油液及温度分布

压气机是发动机的心脏，其性能好坏直接影响整台发动机的正常工作。将Simerics MP+应用于压气机的CFD模拟，可实现：

• 准确预测压气机内部流动状况；

• 获取压缩性能参数；

• 为压气机改型提供准确、详细的分析依据。

利用Simerics MP+对Eckardt离心压气机的叶轮进行了仿真研究，获得的仿真结果与实验结果具有良好的吻合度。

图3.15 Simerics MP+计算结果 （a）马赫数分布图

图3.16 Simerics MP+计算结果 （b）总压分布图

图3.17 计算-试验结果对比 （a）总压比-流量曲线

图3.18 计算-试验结果对比 （b）效率曲线

文章来源：合工仿真