泽工智享｜Krain压缩机三维优化目前市场上大多数公司都有计算CFD高性能设备，但是他们优化器很难满足优化需求，限制了大多数公司使用三维优化。TurboTides智能优化有着强大的优化能力，结合工程师的设计经验，工程师可以在合理的时间内进行改进设计。 TurboTides的智能优化功能是一个非常有价值的优化工具，可以很好的与用户的计算资源相结合，无需其它额外的投资。  本次优化案例以离心式压气机三维几何优化为例，通过对流道参数与叶片角优化，采用CFD分析进行三维流场求解，并结合太泽工程师的设计经验自定义约束公式，同时设置输出约束，确保优化结果可靠、可信。 使用标准PC工作站，经TurboTides约72小时优化后，叶轮等熵效率从84.4%提升至85.6%，叶轮压比从4.95提升到5.02，同时叶轮功率从83.8Kw降低至82.9Kw，这证明优化的叶轮在提升效率和压比的同时所需要消耗的能量更少。值得注意的是，优化后的叶轮相比优化前的叶轮在同等材料情况下最大应力减小20%。  图 1 Krain叶轮1D示意图 Krain叶轮是文献中设计好的叶轮，在文献中被引用为设计良好的后掠涡轮压缩机叶轮。使用Turbotides几何模块中的坐标导入工具重新创建几何。首先在TurboTides软件对krain叶轮进行CFD模拟，获得基本的CFD计算数据。   图 2 左1叶轮示意图 右1论文中叶轮实物 采用质量流量边界条件对叶轮进行三维CFD计算，CFD计算结果如下图所示：  图 3 初始点的CFD计算结果 叶轮优化点的参数如下： 表 1 叶轮基本性能
优化参数，流道优化参数如下所示： 表 2 流道优化参数相关优化变量
流道优化参数控制点如图所示：  图 4 优化变量控制点相关分布图 叶轮部件优化参数如下表所示： 表 3 叶轮优化参数相关优化变量
叶轮叶片角示意图如下所示：  图 5 叶轮叶片角示意图 优化参数总览：
图 6 优化参数 优化目标：优化过程选用总总等熵效率为优化目标。
图 7 优化目标 几何参数输入约束，如下图所示：   图 8 输入约束1 输入约束同时约束叶片的TrailIing Edge在-10度30度之间：
图 9 输入约束2 输出约束，设置优化总总压比在4.9与5.2之间，同时约束CFD的计算最大残差不低于10^(-3)，输出约束界面如下图所示：
图 10 输出约束 优化器选择Oasis优化器，界面如下所示：
图 11 优化器 优化结果：经过TurboTides 72小时的优化，得到优化结果，优化结果如下图所示：
图 12 优化结果 如上图所示，在优化中，某些点总总等熵效率最高能达到86.4%但是压比低于4.95，某些点总总压比最高达到5.2，但是效率低于当前效率，经多方面考虑，选用优化的第51个点作为最优点。 优化点51 的CFD计算结果如下所示：
图 13 CFD计算结果 优化点51与初始点优化对比如下：对比优化前，总总等熵效率提升1.2%，总总压比提升1.4%，同时叶轮功率降低0.7%，这说明优化后的叶轮在提升压比和效率同时，消耗更少的能量。
图 14 优化前后对比 优化前后流道曲线对比：如下图所示，实线优化前，虚线为优化后，TurboTides优化模块，减小了叶轮的进口宽度，同时优化轮毂轮盖线，最后减小叶轮出口宽度，以此达到压缩机效率和压比同时得到提升。
图 15 流道曲线对比 叶片角优化曲线对比如下图所示：TurboTides优化模块调整叶片轮盖进出口叶片角，并重构叶片轮盖叶片角曲线。同时优化模调整了轮毂的进口叶片角，但是保持出口叶片角不动，并重构了叶片轮盖叶片角曲线。
图 16 叶片角对比 优化前后，叶轮几何模型对比：
图 17 几何对比 值得注意的是优化后的叶片，最大应力有所降低，如下图所示，在相同材料情况下优化前最大应力达到2.3603e+9(pa)，而优化后最大应力仅1.8336e+9(pa)，叶轮最大应力降低20%。
图 18 应力对比
图 19 质量流量vs总总等熵效率图
图 20 质量流量vs总总压比图  Krain叶轮使用TurboTides优化功能经过72小时优化，叶轮等熵效率从84.4%提升至85.6%，效率提升1.2%，叶轮压比从4.95提升到5.02，压比提升1.4%，同时叶轮功率从83.8Kw降低至82.9Kw，优化后的叶轮相比优化前的叶轮在同等材料情况下最大应力减小20%。 太 泽 科 技 |
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