ANSYS Forte对容积式压缩机的仿真优势及应用

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容积式压缩机作为一种通用流体机械得到广泛应用，相对于速度式压缩机具有适应性强、压力比高和热效率高等优点。常见的容积式压缩机如往复式、螺杆式、涡旋式及转子式等，随着气腔容积的由小到大再变小，发生周期性的变化，完成吸气、压缩和排气过程。

随着数值计算技术的飞速发展，仿真技术在工业领域的应用逐渐深入，越来越多的企业开始尝试运用仿真的手段解决其工业产品的性能等关键问题，以减少试验次数，降低样件试制成本，提高产品稳定性与可靠性来进一步提升市场竞争力。那么如何运用合适的CAE软件进行高效的仿真显得尤为重要。

ANSYS Forte 结合了CHEMKIN-PRO求解器技术的内燃机CFD仿真工具包，含有多组分燃烧模型并结合复杂的喷雾动力学，可以在短时间内完成详细化学的计算，能够对几乎任意燃料的内燃机进行稳健并精确的计算，同时在新版本中推出了针对于容积式压缩机的分析方法，本文主要围绕新功能而展开，让大家能够更直观地了解Forte在模拟压缩机运行过程中的一些较为突出的功能优势。

• CFD难点分析

容积式压缩机结构复杂，其空腔容积会周期性的变化，流体的可压缩高。动静壁面间存在狭小的间隙（一般都是几十个微米的大小，甚至更小），影响泄露；且出口排气流动复杂，会影响压缩机的流动、气液分离、振动与噪声等性能。因此在对这类旋转机械的网格处理上必然会遇到挑战，网格的数量、质量、动网格的应用都直接影响到计算结果的精度和准确性。

容积式压缩机内部涉及到可压缩的高流速动与多相流，由于相间作用复杂、界面捕捉困难、气液比高等问题，通过仿真解决压缩机内部的多相流问题存在较大困难，另外压缩机运行过程中存在的共轭传热、流固耦合等问题，均对CFD求解器在求解设置和收敛性上有较高要求。

压缩机的运行是一个动态过程，因此在模拟时多采用非稳态的仿真计算，但由于较小的时间步长和比较大的求解区域，会导致计算时间长、计算量大等问题；同时想要得到动态的温度和压力分布，后处理也会较为复杂。

• ANSYS Forte在容积式压缩机仿真中的优势

传统的ANSYS CFX 或 ANSYS Fluent对容积式压缩机的仿真均采用动网格来处理，即在每一个时间步长下网格的节点位置更新一次。ANSYS Forte在求解时采用3D瞬态可压缩的流动，网格自动生成且不需要提前生成网格，可用于计算往复式活塞压缩机、螺杆式压缩机和涡旋式压缩机等多种压缩机形式。

在仿真过程当中，Forte可以自动检测面与面之间小的间隙并进行网格加密处理，同时采用经验间隙模型（Empirical gap model）来补偿间隙中分辨率差的网格。当研究间隙大小对压缩机的性能影响时，我们不需重新建立不同间隙大小的几何模型，来对比不同尺寸下的间隙流动特征，而直接通过基于泊肃叶流动剪切应力的经验间隙模型来得到间隙内的流动特征，从而解决了间隙网格质量差带来的问题，同时不影响计算速度以及精度。

ANSYS Forte推荐采用Ensight对计算结果进行后处理，瞬态计算过程中，计算结果可直接立刻动态传输给Ensight进行分析，从而得到详细的温度以及压力场信息等，同时还可以查看任意位置的网格特征。

Forte的其他主要功能还有：

• 流固耦合和共轭传热分析功能；

• 支持旋转运动、行星运动以及轨道运动等多种运动模式；

• 真实气体分析；

• 监测和输出功能；

• 单相分析（2022新增多相分析功能）

• 强大的并行运行特性

• 实体案例：伦敦城市大学关于螺杆压缩机仿真的基准化研究

螺杆压缩机齿数比为3:5，工作介质为空气，进口边界条件P=1bar，T=300K，出口的边界条件P=2bar，T=400K，阳转子的转速：6000、7000、8000RPM，整体网格尺寸4mm，间隙加密网格尺寸1mm，总的网格数量50万。

从下图可以看出，当阳转子的转速为6000RPM,7000RPM和 8000RPM时，Forte仿真得到进口的质量流量与实验进口流量均随着时间变化数据吻合良好，进一步验证了Forte软件对于压缩机问题仿真的可靠性。

从下图可以看出，压缩机在吸气口，中部，排气口不同位置的压力变化。吸气口的压力最低，中间位置随着吸气过程的进行，压力逐渐增大，排气以后压力变小，以此规律周期性变化，仿真得到的排气口的压力变化趋势和实验得到的规律基本一致，再次证明了软件应用的可行性。

第二部分内容通过改变间隙网格的尺寸和时间步长的大小，研究Forte仿真结果对于这两个参数的敏感性。从下图可以看出，原始间隙网格尺寸为1mm，时间步长2.5 µs；当间隙网格尺寸改为0.5mm，质量流量和压力分布均没有明显变化；当时间步长改为1.25 µs，质量流量和压力分布同样没有明显变化。因此可得出仿真结果对间隙网格尺寸和时间步长的大小的变化并不灵敏。

当Forte解决压缩机更小的间隙尺寸问题时，我们不需要重新建立几何模型，而是通过间隙尺寸比例因子（gap-size scaling factor）来减小间隙的大小，同时增加流动的阻力。这里选择更改两组间隙尺寸比例因子进行对比测试，原始的几何间隙尺寸为140μm，第一组测试：间隙尺寸比例因子为0.25，则间隙尺寸为35μm；第二组测试：间隙尺寸比例因子为0.125，则间隙尺寸为17.5μm。计算结果表明，当间隙尺寸为17.5μm时，经过间隙的流动几乎处于堵塞状态，但计算结果和间隙为35μm时基本没有差别，且间隙尺寸减小后，CPU计算的时间也基本保持不变。

从下图可以看出，在间隙处间隙阻力因子更小，对应该间隙处具有更小的流动速度以及更大的阻力，且从速度云图上可以看出，间隙处并没有较大的流速存在，说明间隙处并不存在流体泄露等问题。

下图是两种更改间隙尺寸比例因子（gap-size scaling factor）后的结果与原始间隙尺寸的对比，从图中可以看出，当间隙尺寸比例因子改为0.125和0.25后，和原始间隙结构对比，进口的质量流量得到一定程度的提高，排气口的压力升高，说明间隙的减小一定程度上改善了间隙泄露的问题。但是当间隙进一步减小时，即对比更改间隙尺寸比例因子以后的两组结构，进口的质量流量和排气口的压力并没有明显差别，说明当间隙尺寸足够小时，间隙处的流动几乎处于堵塞状态，进一步减小间隙尺寸几乎没有影响，为提升产品性能提供了优化方向。

由于容积式压缩机结构较为复杂，仿真模拟一直都存在着较大的挑战，在ANSYS 所提供的针对于该类工业产品较为全面的解决方案中，不仅仅只有CFX的浸没边界法、Twin-mesh和Fluent的动网格技术，还新增了独特的Forte解决方案。

综上所述，通过实际案例的基准化研究，Forte在计算容积式压缩机时可以快速准确的得到相应结果，对于网格处理、间隙尺寸优化、求解、节省计算时间、并行计算等方面均具有明显的优势。 

本文作者： 周朦佳，上海安世亚太CFD与旋转机械产品应用工程师。 具有丰富的旋转机械产品如轴流式、离心式、三元流高速风机等旋转机械类产品设计与仿真分析经验。曾开发设计大型轴流风机（新结构设计、力学验证、气动分析）、数据中心用无蜗壳高效节能离心风机。与约克、麦克维尔、特灵、开利、三星等国外知名企业均有过项目合作。