容积式压缩机作为通用流体机械广泛应用，对速度式压缩机具有适应性强、压力比高、热效率高等优点。 往复式、螺旋式、涡旋式、转子式等常见容积式压缩机，其气室容积从小到大，呈周期性变化，完成进气、压缩、排气过程。
随着数值计算技术的飞速发展，仿真技术在工业领域的应用逐渐深入，越来越多的企业采用仿真的手段来解决工业产品性能等关键问题，减少试验次数，降低样品试制成本，提高产品的稳定性和可靠性进一步提高市场竞争力那么，用合适的CAE软件进行有效的模拟就显得尤为重要。
ANSYS Forte是一个结合CHEMKIN-PRO求解器技术的内燃机CFD仿真工具包，将多组分燃烧模型与复杂的喷雾动力学相结合，可以在短时间内完成详细的化学计算，对几乎任意燃料的内燃机进行稳健准确的计算。 另外，新版本公布了对容积式压缩机的分析方法。 本文主要围绕新功能展开，可以更直观地理解Forte模拟压缩机的运行过程
CFD难点分析容积式压缩机结构复杂，空腔容积呈周期性变化，流体可压缩性高。 动静壁面之间存在狭窄间隙(一般为几十微米大小，或更小)，影响泄漏； 此外，出口排气流动复杂，影响压缩机的流动、气液分离、振动、噪声等性能。 因此，这类旋转机械的网格处理必然存在挑战，网格的数量、质量、动网格的应用直接影响计算结果的精度和准确性。
容积式压缩机内部涉及可压缩的高流速动态和多相流，由于相间作用复杂、界面捕获困难、气液比高等问题，模拟解决压缩机内部多相流问题存在较大困难，压缩机运行中存在的共轭传热、流固耦合等问题
由于压缩机的运行是一个动态过程，在模拟时往往采用非平稳的模拟计算，但由于小的时间步长和较大的求解区域，要同时获得导致计算时间长、计算量大等问题的动态温度和压力分布，后处理也是可行的
ANSYS Forte在容积式压缩机模拟中的优势传统的ANSYS CFX或ANSYS Fluent对容积式压缩机的模拟都由动态网格处理，即每个时间步长更新网格的节点位置。 ANSYS Forte求解时采用3D瞬态可压缩流动，自动生成网格，无需预生成网格，可用于计算往复式活塞压缩机、螺杆压缩机、涡旋压缩机等多种压缩机形式。
在仿真过程中，Forte可以自动检测面与面之间的小间隙并进行网格加密处理，同时利用经验间隙模型对间隙中分辨率较差的网格进行补偿。 在研究间隙大小对压缩机性能的影响时，无需重建不同间隙大小的几何模型来比较不同尺寸下的间隙流动特性，而是通过基于泊肃叶流动剪应力的经验间隙模型获得间隙内流动特性，在不影响计算速度和精度的情况下建立间隙网格
ANSYS Forte建议使用Ensight对计算结果进行后处理。 在瞬态计算过程中，计算结果将立即动态传输到Ensight进行分析，得到详细的温度和压力场信息等。 也可以查看任意位置的网格属性。
Forte的其他主要功能如下。
流固耦合与共轭传热分析功能； 支持旋转运动、行星运动及轨道运动等多种运动模式； 实际气体分析； 监测和输出功能单相分析(增加2022多相分析功能)强并联运行特性实例：伦敦城市大学螺杆压缩机模拟标准化研究热模拟技术螺杆压缩机齿数比为3:5，工作介质为空气，入口边界条件P=1bar，t=
由下图可知，当阳转子转速为6000RPM、7000RPM和8000RPM时，Forte仿真得到的进口质量流量和实验进口流量均与时变数据吻合较好，Forte软件对压缩机问题仿真的接收
从下图可以看出，压缩机的压力随进气口、中部、排气口的位置而变化。 进气口压力最低，中间位置随着进气过程的进行，压力逐渐增大，排气后压力减小，规律呈周期性变化，模拟得到的排气口压力变化趋势与实验得到的规律基本一致，再次证明了软件应用的可行性。
第二部分内容通过改变间隙网格的大小和时间步长的大小，研究Forte仿真结果对这两个参数的敏感性。 由下图可知，原间隙网格尺寸为1mm，时间步长为2.5 s； 间隙网格尺寸改变为0.5mm时，质量流量和压力分布无明显变化； 时间步长变更为1.25 s时，质量流量和压力分布也没有明显变化。 因此，仿真结果表明间隙网格大小和时间步长大小的变化不敏感。
Forte解决压缩机的较小间隙尺寸问题时，不需要重新建立几何模型，而是通过“间隙尺寸比例因子”( gap-size scaling factor )减小间隙大小，同时增大流动阻力。 在此，为了进行原始几何间隙尺寸为140m、第一组测试：间隙尺寸的倍率为0.25、间隙尺寸为35m的比较测试，选择变更两组间隙尺寸的倍率。 第二组测试：间隙尺寸比例因子为0.125，间隙尺寸为17.5m。 计算结果表明，当间隙尺寸为17.5m时，通过间隙的流动基本堵塞，但计算结果与间隙为35m时几乎没有差别，即使间隙尺寸减小，CPU的计算时间也几乎不变。
从下图可以看出，间隙阻力因子较小，间隙具有较小的流动速度和较大的阻力。 另外，从速度云图中可以看出，间隙中不存在大的流速，表明间隙中没有流体泄漏等问题。
下图是改变两种间隙尺寸比例因子( gap-size scaling factor )后的结果与原始间隙尺寸的对比。 可见，间隙尺寸比例因子改为0.125和0.25后，与原间隙结构相比，进口质量流量有一定程度的提高，排气口压力上升，间隙的减小在一定程度上改善了间隙泄漏问题。 但是，在间隙进一步变小的情况下，即与变更间隙尺寸的比例系数后的两组结构相比，进口的质量流量和排气口的压力没有明显的差，在间隙尺寸足够小的情况下，间隙中的流动大致处于闭塞状态，即使进一步减小间隙尺寸也几乎没有影响
由于容积式压缩机结构复杂，在模拟中始终存在很大的挑战，在ANSYS提供的对此类工业产品较为全面的解决方案中，不仅增加了CFX的浸入边界法、双赢和飞网技术，而且增加了独特的飞网解决方案
综上所述，通过实际工况标准化研究，Forte在计算容积式压缩机时能快速准确地得到其结果，在网格处理、间隙尺寸优化、求解、节约计算时间、并行计算等方面具有明显的优势。
上海安世亚太周轶佳
