数值仿真软件在石化工业气体压缩机中应用浅析

　　近年来，石油化工行业的巨额投入推动了我国压缩机行业的高速发展，国产压缩机设备无论是在质量、规模等方面都迅猛增加，同时加大理论基础研究、科研经费投入，缩短着与国际行业巨头的几十年累积的研发实力差距，与此同时从国际上引入的数值研发工具加速了沈鼓追赶国内外同行的速度。

　　数值仿真软件现阶段的发展趋势是将众多专业的研发工具构成系统平台，针对叶轮机械产品，基于设计、分析和优化设计流程，其对数值仿真软件有更专业独特的要求。

　　参数化拟合/建模技术

　　参数化几何建模技术是虚拟制造技术和性能优化设计的基础和前提，随着计算机仿真技术的发展，参数化技术的应用日益广泛，有利于设计者通过设计参数驱动产品的几何模型。如图1所示，NUMECA公司的Autoblade软件是针对叶轮机械开发的参数化几何建模工具，通过与CFD软件和优化算法相结合实现产品的逆向研发，可大幅度的提高产品的设计效率，降低产品设计成本。Autoblade在传统的参数化建模技术基础上有以下三个独特之处：

　　1） 基于叶轮机械的几何建模流程和模型特征；

　　2） 采用内置的参数化模板对原型几何进行参数化拟合，并具有定量评估功能；

　　3） 与NUMECA公司的FINE/Design3D性能优化软件实现在性能优化流程中的批处理集成调用。

　　基于向导模式的模板化网格划分技术

　　基于向导模式的模板化网格划分流程，最友好的用户操作界面，最少的参数输入，对于软件的初次使用者，模板化是网格划分的标准化形式，便于针对具有不同几何特征的提供与之对应的网格模板文件，提高网格划分质量，降低网格划分时间。网格划分向导模式如图2所示。

　　基于美国标准技术委员会NIST/RefProp的物性定义

　　基于美国标准技术委员会的NIST/Refprop权威物性数据库，NUMECA开发了热力学物性表生成工具TabGen，可轻松实现各种石化混合气体特性的准确定义。尤其适用于石油混合气体的高温高压工作条件下复杂物性定义，如：天然气、氮气、甲烷、各种冷媒、乙烯和氨气等。TabGen的软件操作界面如图3所示。

　　软件算法加速收敛技术

　　软件算法加速收敛技术—CPUBooster在保证精度和准确度的前提下，可将CFL数设为恒定值1000，从而大幅缩短了计算时间，将计算流程效率提高一个量级。尤其适用于在硬件计算能力不能满足用户快速计算要求的情况下，某多级叶轮机械典型应用如图4所示。

　　多物理场耦合技术

　　目前在工程流固耦合数值模拟仿真应用中，湿模态法流固耦合技术是通过导入结构的模态刚度矩阵以实现模态法进行叶轮流固耦合，计算过程中无需调用外部固体有限元分析软件，利用模态分析得到几何的固有特征（包括固有频率、固有振型和阻尼），实现叶片气动弹性稳定性分析，是最适用于工程快速准确的流固耦合分析。某叶轮机械采用FINE/turbo软件进行流固耦合分析如图5所示。

　　离心叶轮机械中气动噪声是最主要的噪声源，特别是某些噪声的频率与人的内脏器官固有频率相接近，引起共振，使人产生头晕、恶心、心律过速、高血压等症状，不仅导致人们的工作和生活质量下降，而且容易引发安全事故。某离心风机采用VNoise软件进行声辐射分析如图6所示。

　　高性能并行计算技术

　　为了更加清晰精细地捕捉叶轮机械中发生的局部细节流动现象，挖掘叶轮机械性能提升的潜力，网格规模呈现指数型增长的趋势，以摩尔定律发展的计算机硬件计算能力远远不能满足高保真度工业数值仿真需求，所有的工业仿真需求迫使数值模拟软件在并行计算能力上取得突破，图7为FINE/Turbo软件在美国田纳西州橡树岭国家实验室克雷公司的美洲豹超级计算机上5亿网格并行计算测试结果，采用了结构化网格虚拟并行网格分区的独有先进技术。

　　多学科优化设计平台

　　在产品设计研发初始阶段，工程师是基于单学科问题进行设计，但在设计研发的最终阶段，务必需要考虑系统运行的复杂性，就必须进行多学科优化设计。FINE/Design3D是目前唯一的针对旋转机械行业的全三维优化设计平台，根源于NUMECA公司深厚的叶轮机械专业背景和强大的创新能力，将参数化拟合/建模技术、现代优化理论（基因遗传算法、人工神经网络、试验设计方法……）和计算流体力学软件无缝集成的优化设计平台，可通过开发接口将固体有限元软件集成进来，构成多学科优化设计平台。离心压缩机优化前后性能曲线图8所示，原始叶轮，单流场优化叶轮、流场和固体场多学科优化叶轮的应力分布对比情况如图9所示。

　　不确定性分析

　　随着CFD技术的飞速发展，采用概率和数理统计方法实现CFD结果的不确定性分析和稳健设计逐步进入工程师的研究领域，运行条件和几何的不确定性主要包括：制造加工误差，边界条件波动，数学物理模型和数值误差等。在缺乏实验数据进行CFD可信度校核之前，基于概率分布函数的不确定性分析技术是唯一可选的CFD结果置信度评估工具，图10和图11为FINE/Turbo软件对NACA0012翼型进行不确定性分析的流场结果。

　　多级离心叶轮机械对数值研发工具提出了更为专业、更为苛刻的数值仿真需求，一直引领着计算流体动力学技术发展的前沿，今后进一步提高CFD的应用水平，更加准确地预测产品性能，进一步完善叶轮机械设计水平，完善设计理论提供了强有力的保证和参考。

转载：感谢您对网站平台的认可，以及对我们原创作品以及文章的青睐，非常欢迎各位朋友分享到个人站长或者朋友圈，但转载请说明文章出处。