使用 Cadence CFD 和 Concepts NREC 对离心式压缩机进行多学科优化
离心式压缩机，也称为离心式风扇或鼓风机，主要用于压缩目的。附在旋转叶轮上的径向叶片将空气吸入装置的中心。它们非常适合高压应用，其高效设计可以节省能源。等熵效率和叶片载荷是这些压缩机设计中的关键因素。包括空气动力学和结构目标在内的多物理场方法将确保获得最佳结果。简化设计流程并最大限度地减少迭代次数可以实现实用、资源高效的设计。这缩短了上市时间并提高了设计过程的整体效率。在这个简短的案例研究中，考虑空气动力级性能和叶轮结构完整性的带罩径流式压缩机的优化，i。等熵效率和降低von Mises 压力，是使用 Cadence Fidelity Turbomachinery 套件和Concepts NREC执行的。
描述
对于本研究，已选择具有带护罩叶轮、无叶片扩压器且无集流器的单级压缩机，如下图所示。这里，目标是获得以下设计条件。
尽量减少离心力引起的 von Mises 应力或叶片负载。
提高总等熵效率。
3D 舞台几何形状（左）和舞台几何形状的子午线视图（右）。
优化方法论
优化工作流程
在这项研究中，采用了基于代理的优化方法，工作流通过创建参数化几何模型启动，即几何由一组参数定义。随后，定义了自由参数的子集。作为此工作流程的下一步，进行实验设计 (DOE) 以探索设计空间，并对这些实验的结果进行评估并在数据库中汇总。此外，使用该数据库创建了一个替代模型，该模型可以根据输入参数预测效率和总压比。
优化工作流程
通过优化此代理模型生成单个或多个候选对象。这些候选人进一步接受计算流体动力学 (CFD)和计算结构机制 (CSM)分析。这些分析的结果被输入数据库。这个循环一直持续到满足目标或收敛标准并生成新的优化设计。
不同优化方法的组合
von Mises 应力与等熵效率——数据库、多目标优化、单目标优化。
为了达到预期的结果，本研究有效地利用了各种优化技术。 在工作流程中的 DOE 步骤之后，将创建替代模型的数据库，并使用留一法分析对其进行交叉验证。使用此分析，在启动优化之前确认替代模型的准确性。首先， 探讨了以可行范围内的效率和 von Mises 应力等目标为重点的多目标优化。作为优化工作流程的第二步，单目标优化将阶段效率作为目标，将 von Mises 应力（设置为最大值）作为约束。
设计过程中使用的工具
优化工作流程中使用的工具
几何设计和网格划分
参数化模型的生成在AxCent中进行。它是用于详细涡轮机械 3D 几何设计的强大工具。该工具使用户能够进行初步的流动和应力分析。此优化的参数模型有 27 个自由参数和 50 个可以链接不同参数或定义复数的数学方程式。
AxCent 还用于 CSM 网格划分和仿真，使用称为按钮 FEA 的模块，这是一种完全集成的应力分析工具，允许用户同时进行结构和空气动力学分析。
对于 CFD 分析，使用Fidelity Autogrid生成结构化网格。它适用于不同涡轮机械配置的预定义拓扑。它包含高级平滑算法和脚本功能。
求解器
几何设计和网格划分部分提到，CSM仿真是在AxCent中进行的，CSM设置如下：
单通道模型 – 包括鱼片
具有相对单元格大小的非结构化网格
一个操作点
使用材料 - 奥氏体不锈钢（300 系列）
旋转速度：= 1.15
= 100° 时的材料特性
对于 CFD 仿真，将从 Fidelity Automesh Autogrid 获得的网格插入 市场上最快的结构化求解器Fidelity Flow （Fine/Turbo），为转子-定子接口、收敛加速提供高级选项，并具有完整和批处理脚本功能。差价合约设置如下：
单通道型号
结构化网格
Spalart–Allmaras 湍流模型
墙面功能
流体：2、理想气体
边界条件：入口总压、入口温度和出口质量流量
沿单速线的三个操作点
结果与结论
五种设计的最大 von Mises 应力和总等熵效率。
根据绘制的数据，很明显 v3 设计是最优化的，在目标之间取得了良好的平衡。这种设计具有最小的 von Mises 应力、高效率和令人满意的安全限制。总之，总效率提高了 0.6%，而离心力产生的应力降低了 50% 以上。
该案例研究清楚地表明，将不同学科整合到一个优化过程中对于实现实用设计至关重要。Cadence CFD 和 Concepts NREC 提供了有效的工具来简化这个过程。当面对相互冲突的目标时，实施多目标优化可以帮助确定最佳解决方案。
观看关于 Navier & Stokes 与 von Mises 的网络研讨会：径向压缩机的优化， 以了解有关使用 Cadence CFD 和 Concepts NREC 优化径向压缩机的更多信息。
文章来源：cadence博客
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