【技術(shù)分享】獨(dú)一無(wú)二的螺桿機(jī)械仿真技術(shù)！

2016-09-13 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

背景描述

螺桿泵/壓縮機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的通用機(jī)械,由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采用CFD技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析時(shí)異常困難,主要都是基于試驗(yàn)進(jìn)行性能分析設(shè)計(jì)。當(dāng)前,對(duì)于螺桿機(jī)械公開發(fā)表的CFD分析文獻(xiàn)很少,數(shù)值仿真還未發(fā)揮應(yīng)有的價(jià)值。

近期,美國(guó)Simerics公司聯(lián)合倫敦城市大學(xué)采用SCORG+Pumplinx的方法對(duì)螺桿機(jī)械進(jìn)行了詳細(xì)的CFD性能分析,突破了螺桿機(jī)械CFD分析的多項(xiàng)瓶頸,取得了喜人的成績(jī)。本文將介紹該獨(dú)一無(wú)二的技術(shù)方法。

技術(shù)難點(diǎn)

螺桿機(jī)械的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,對(duì)其進(jìn)行CFD分析是一項(xiàng)高技術(shù)含量的工作,目前來(lái)看,具有相當(dāng)大的技術(shù)難點(diǎn):

1、轉(zhuǎn)子區(qū)域?yàn)榇笞冃螀^(qū)域,需要建立高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格;

2、需要考慮陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子之間極微小的嚙合間隙;

3、需要設(shè)置轉(zhuǎn)子部分的動(dòng)網(wǎng)格,描述由于轉(zhuǎn)子流體域大變形所引起的流場(chǎng)變化;

4、對(duì)于雙螺桿壓縮機(jī),需要同時(shí)對(duì)流場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性(泄露、傳熱,排氣孔口流動(dòng))的過程進(jìn)行研究;

5、對(duì)于雙螺桿泵則需要考慮流場(chǎng)內(nèi)部的空化效應(yīng);

6、需要考慮由于流場(chǎng)擾動(dòng)引起的流致振動(dòng)及噪聲。

螺桿機(jī)械仿真解決方案

針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn),為解決螺桿機(jī)械的CFD分析難題,倫敦城市大學(xué)找到了Simerics公司,SCORG+Pumplinx的聯(lián)合解決方案應(yīng)運(yùn)而生。SCORG是專業(yè)螺桿機(jī)械型線分析及前處理軟件,可以制作螺桿機(jī)械高質(zhì)量結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。Pumplinx是專業(yè)運(yùn)動(dòng)機(jī)械CFD仿真軟件,具備各種專業(yè)的物理模型及強(qiáng)大的求解能力。

圖1 SCORG+Pumplinx聯(lián)合解決方案

螺桿機(jī)械數(shù)值分析案例

在進(jìn)行螺桿機(jī)械的性能分析時(shí),客戶往往不能滿足于一維的熱力學(xué)預(yù)測(cè),而希望能對(duì)螺桿壓縮機(jī)或泵進(jìn)行更為詳細(xì)的三維CFD數(shù)值分析,獲得螺桿機(jī)械流場(chǎng)的壓力、速度、溫度以及空化預(yù)測(cè),以及更為精確的性能特性曲線。

聯(lián)合SCORG與PumpLinx即可實(shí)現(xiàn)螺桿機(jī)械的三維非定常數(shù)值分析。

下圖為某雙螺桿壓縮機(jī)的三維模型,提取后的流體域部分由吸入段、排出段和轉(zhuǎn)子部分構(gòu)成。

圖2 雙螺桿壓縮機(jī)幾何模型

SCORG為專業(yè)的雙螺桿機(jī)械型線分析和前處理軟件,通過輸入雙螺桿機(jī)械陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子型線數(shù)據(jù)和齒數(shù)、節(jié)距及軸徑等相關(guān)參數(shù),即可自動(dòng)生成雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子部分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

圖3 轉(zhuǎn)子區(qū)域網(wǎng)格

圖4 嚙合間隙處網(wǎng)格

SCORG與PumpLinx實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成,SCORG生成的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可直接輸入至PumpLinx。PumpLinx內(nèi)置有螺桿壓縮機(jī)的數(shù)值分析模板,通過輸入螺桿壓縮機(jī)的齒數(shù)、轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)中心等運(yùn)行參數(shù),即可自動(dòng)設(shè)置螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子部分的動(dòng)網(wǎng)格,進(jìn)而進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值分析。

在PumpLinx中調(diào)用雙螺桿壓縮機(jī)模板并設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格后,設(shè)置該分析模型的邊界條件和介質(zhì)參數(shù),即可對(duì)該壓縮機(jī)進(jìn)行熱流體分析預(yù)測(cè),部分參數(shù)如下圖所示。

圖5 邊界條件及物性參數(shù)

通過對(duì)該雙螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行6000rpm和8000rpm兩個(gè)工況的預(yù)測(cè)分析,并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了數(shù)值結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時(shí)也為雙螺桿壓縮機(jī)的產(chǎn)品優(yōu)化及性能分析提供了一種更為便利和經(jīng)濟(jì)的手段。

圖6 Pumplinx仿真界面

圖7 Pumplinx壓力計(jì)算結(jié)果動(dòng)畫

圖8 Pumplinx溫度計(jì)算結(jié)果動(dòng)畫

圖9 仿真與試驗(yàn)對(duì)比(腔內(nèi)壓力隨旋轉(zhuǎn)角度變化曲線)

圖10 仿真與試驗(yàn)對(duì)比(流量、容積效率、功率等)

其它案例簡(jiǎn)介

圖11噴油雙螺桿壓縮機(jī)流場(chǎng)分析

圖12 斜齒輪泵流場(chǎng)分析

圖13 多轉(zhuǎn)子螺桿泵

圖14 斜齒式風(fēng)機(jī)

圖15變分度圓螺桿壓縮機(jī)

圖16 非常規(guī)螺桿機(jī)

總結(jié)

通過應(yīng)用SCORG + PumpLinx軟件技術(shù)方法,可以進(jìn)行螺桿機(jī)械的設(shè)計(jì)和三維CFD數(shù)值分析,建立基于數(shù)值分析的快速高效的螺桿機(jī)械性能預(yù)測(cè)能力,為研發(fā)機(jī)構(gòu)提供更高效的工作方式,并帶來(lái)更大利益。

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