涡轮机械过程优化：CFD解决方案的工业实践

关键要点

• 涡轮机械过程解决方案包括压缩机、涡轮机、泵和类似部件，它们可以将流体能转换为机械能，反之亦然。
• 涡轮机械工艺解决方案的效率可能会因设计错误、能量损失、湍流、压降等而损失，从而导致不同介质中出现冲击波或气蚀等问题。
• 通过对涡轮机械工艺解决方案中的应力、应变、能量损失、压力变化和流动模式进行全面分析，CFD 仿真可实现设计优化以提高机器效率。

涡轮机械是现代工程的重要组成部分；它的用途包括航空航天、发电和汽车应用。压缩机、涡轮机和泵等涡轮机械过程解决方案使能量从一种形式转换为另一种形式以及在不同组件之间传输这些能量变得更加容易。效率是此类涡轮机械最受追捧的品质，工程师应将涡轮机械工艺方案的设计和优化作为研究的重点。

计算流体动力学 (CFD)用于优化涡轮机械部件的形状和尺寸。CFD 能够可视化流体流动行为并对其影响进行数值分析，是一种强大的工具。在本文中，我们将讨论如何使用 CFD 设计和优化涡轮机械工艺解决方案。

优化涡轮机械过程解决方案的效率

在涡轮机械工艺解决方案的设计中，效率研究从流动行为分析开始。流体与叶轮等涡轮机械部件相互作用的方式会影响产生的力和功率。在以下情况下，过程效率会降低：

• 由于壁摩擦和湍流耗散，存在能量损失。
• 由于设计不当或流动不稳定，流动从转子表面分离。
• 气蚀问题是由于流体压力突然下降到蒸气压以下而引起的，从而导致气泡的形成。
• 冲击波以超音速形成，引起流体压力、温度和密度的突然变化。

工程师应谨慎设计转子系统，以使流体和组件之间的能量损失最小，能量传递最大。这需要仔细分析流体行为、涡轮机几何形状和流动条件。

CFD 模拟有助于分析通过涡轮机的流动。视觉方法提供了对压力和速度变化、流动模式变化、能量损失等区域的洞察力。这些数据对于涡轮机械工艺解决方案的优化具有重要意义。

CFD 模拟：涡轮机械优化最佳实践

CFD 仿真的目标是详细了解涡轮机械的性能。这是通过可视化流动模式和预测不同流动条件下的系统行为来完成的。对压降、传热、湍流等量的分析及其与设计规范的比较使工程师能够确定提高涡轮机效率所需的设计变更。

为此，CFD 模拟涉及以下一组最佳实践。

CFD 模拟最佳实践

改进涡轮机械设计以实现最大能量传输

通过网格划分、湍流建模和数值分析，CFD 促进了涡轮机械不同方面的优化。

1. 研究涡轮机中的应力和应变有助于确定理想的材料特性。
2. 通过涡轮机内不同部件的流动模式分析可以帮助识别湍流、阻力、压力损失或其他低效率区域。可以调整设计以提高涡轮机械的整体性能。
3. 识别高速区域或可能发生气蚀的区域可以帮助工程师改变叶轮的形状和尺寸，从而使流过涡轮机的流体更有效。

Cadence 的Fidelity和Fidelity Pointwise等工具使此类模拟和分析成为可能。通过精细网格划分、求解控制纳维-斯托克斯方程、湍流建模和数值模拟，这些 CFD 平台有助于理解流动特性及其对涡轮机械性能的影响。工程师可以利用这些知识来制定最佳流动路径和几何形状变化，从而使涡轮机械工艺解决方案产生高效率。

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