静默动态

分类： 涡轮机

  • CFD-Analyse und Entwurf von Turbomaschinen mit Open-Source-Software

    使用开源软件进行透平机械的CFD分析与设计

    涡轮机——从离心泵和压缩机到涡轮和风扇——是现代工业和能源设施的支柱。它们的设计和优化需要深刻的流体力学理解和精确的数值工具。我们结合了这两者：基于完全自由软件的扎实工程专业知识与最先进的 CFD 技术。.

    CFD 辅助的透平机械性能分析与设计

    我们正在进行基础 涡轮机械的性能分析与设计 通过最先进的CFD（计算流体动力学）方法进行。整个分析工作流程在 InsightCAE-Framework 全自动 并仅使用开源软件。这使得模拟成本非常低，周转时间短，并且易于集成到自动优化框架中。.

    什么是涡轮机械？以及为什么 CFD 如此重要？

    涡轮机械是能量在流体和转子之间传递的旋转式流体机械。它们可大致分为两类：

    • 加工机械 （例如泵、压缩机、鼓风机）：将机械能传递给流体
    • 动力机械 （例如 涡轮机、水轮机）：从流体中提取能量并将其转化为旋转功

    内部流动过程——二次流、分离、激波-边界层相互作用、缝隙流动——非常复杂，在细节上几乎无法完全通过分析来掌握。因此，数值流体动力学（CFD）已成为设计、分析和优化这些机器的标准工具。.

    我们的 CFD 工作流程在转子机械中详细介绍

    我们的分析流程涵盖了涡轮机械模拟的完整过程——从几何准备到结果评估：

    • 几何创建和参数化定义叶轮和壳体几何形状，可基于现有CAD数据或通过参数化重新设计
    • 网格划分自动化生成结构化或非结构化计算网格，具有优化的壁面分辨率（y⁺ 控制），用于精确的边界层建模
    • 稳态和瞬态仿真：利用RANS湍流模型计算运行工况；必要时分析转子-定子之间的非稳态相互作用
    • 性能曲线确定自由行程曲线、压力-流量特性曲线、效率、空化极限以及其他特定于机器的参数
    • 结果解释与可视化自动化后处理流程可提供可重现、可比的报告

    InsightCAE：基于开源的全自动CFD工作流程

    打 InsightCAE-框架 是一个强大的开源自动化框架，用于 CFD 和 FEM 分析。它将久经考验的开源求解器和工具协调成一个无缝、可重现的工作流程：

    • OpenFOAM 作为主要的CFD求解器——经过工业验证，拥有丰富的湍流模型库
    • gmsh / snappyHexMesh 用于自动化、质量控制的网络
    • VTK 和 ParaView 用于可伸缩的、脚本驱动的可视化和评估
    • 完成 所有工作流步骤的参数设置 – 适用于变异分析和敏感性研究

    通过自动化，消除了每次单独进行模拟运行的手动设置工作。这不仅减少了出错的可能性，而且大大缩短了从问题陈述到验证结果的时间。.

    无缝集成到优化框架中

    自动化工作流程的一个特别优势是易于与 数值优化方法. 典型应用场景包括：

    • 基于梯度的优化 以有针对性地提高效率或增压
    • 进化算法和代理模型 （例如高斯过程回归）用于探索大型参数空间
    • 多目标优化 (例如，同时最大化效率和运行范围)
    • 实验设计 用于系统地研究几何或操作影响因素

    由于每次模拟运行都是完全由脚本和参数驱动的，因此无需人工干预即可计算和评估数百种变体。.

    我们的方法一览

    • 经济实惠商用 CFD 软件无许可证费用
    • 快自动化工作流程可最大限度地减少人工干预和周转时间
    • 可重复：完全文档化的、可版本化的模拟设置
    • 可扩展从单次模拟到自动化优化活动
    • 透明开源软件意味着所有计算步骤都完全可追溯。

    典型应用领域

    我们用于涡轮机械的 CFD 分析应用于各种工业和研究项目：

    • 离心泵和泵轮机（也用于水电和抽水蓄能）
    • 流程和能源技术的轴流和离心压缩机
    • 船用螺旋桨和喷水推进器（与我们的阻力分析相结合）
    • 暖通空调风机与风扇
    • 蒸汽和燃气轮机在发电厂应用

    结论：现代涡轮机械CFD——高效、开放、可优化

    通过我们基于 InsightCAE 和开源软件的全自动化 CFD 工作流程，我们为工程公司、制造商和研究机构提供了强大、价格透明的专业涡轮机械仿真解决方案。从初始性能曲线计算到自动化形状优化——一站式服务，可重复且可扩展。.

    您是否计划为您的涡轮机械进行CFD分析？ 联系我们 – 我们将共同寻找适合您项目的仿真策略。.

  • Fluid-Struktur-Kopplung für Composite-Propeller: CFD mit OpenFOAM und Code_Aster

    复合材料螺旋桨的流固耦合：使用OpenFOAM和Code_Aster进行CFD

    现代纤维复合材料船舶和水流螺旋桨与传统的金属螺旋桨相比具有显著优势——重量更轻、空蚀性能更好，并且可以通过精确的各向异性实现被动螺距调节。然而，它们的柔韧性给设计带来了特殊的挑战：只有在将运行载荷下的结构变形纳入模拟时，才能正确评估空气动力学或流体动力学性能。.

    复合螺旋桨：机遇与结构挑战

    螺旋桨翼 纤维增强复合材料 – 特别是由碳纤维增强聚合物（CFRP）或玻璃纤维增强聚合物（GFRP）制成 – 在运行载荷下可弹性变形。这种灵活性并非设计缺陷，而是可以被有针对性地利用：

    • 被动音高调整通过定向的纤维取向，机翼在载荷增加时会自行扭转成更有利的迎角，无需主动机械。
    • 空化减降载荷下叶片几何形状的调整可以平滑压力峰值，从而降低汽蚀风险
    • 降噪通过优化的叶片载荷分布降低压力脉动
    • 减重CFK 螺旋桨在相同刚度下比青铜或不锈钢螺旋桨轻得多

    反面：在解释时，必须 翼型在运行载荷下的变形必须予以考虑。. 纯粹刚性 CFD 模拟将系统性地错误预测实际操作中的几何形状——以及由此产生的推力、扭矩和效率。.

    什么是流固耦合（FSI）？

    的 流固耦合 描述了流体流动和弹性结构之间的相互作用。在复合材料螺旋桨的情况下，这意味着：

    • 打 流体 (水或空气)在螺旋桨叶片上产生压力
    • 的 结构 在这些力的作用下发生弹性变形
    • 改变的几何形状反过来又影响了 流动 – 以及由此产生的压力分布
    • 这个循环是 迭代直至收敛 已解决

    根据结构的刚度和流体力的强度，这种耦合效应可能很小可以忽略不计——或者占主导地位，从根本上决定设计。对于柔性复合材料螺旋桨来说，后者是常态。.

    我们的软件解决方案：OpenFOAM + Code_Aster 完全耦合

    我们有一个专门的 复合螺旋桨的流固耦合 (FSI) 仿真软件解决方案 开发，将两个领先的开源程序整合到一个强大的全自动工作流中：

    • OpenFOAM CFD 模拟负责：计算螺旋桨叶片上的流场、压力分布和水动力载荷——包括旋转网格区域（MRF 或 Sliding Mesh）。
    • Code_Aster 结构力学方面：各向异性复合材料在传输流体载荷下的有限元分析，计算层合板的变形和应力
    • 一 配对算法 在两个求解器之间传递力与位移，并根据结构变形（动态网格变形）更新CFD计算网格

    这两个工具都是完全开源的——没有许可费用，具有完全的透明度，并可最大限度地满足特定项目需求。.

    我们的FSI解决方案的技术特点

    • 各向异性材料建模Code_Aster 逐层模拟了 CFK 和 GFK 结构中的层状结构，包括与方向相关的刚度和强度特性。
    • 空化建模: 可选地，FSI 模拟可以扩展一个空化模型，以捕捉相变与叶片变形之间的相互作用。
    • 自动化工作流程整个仿真链——网格划分、求解器设置、耦合、后处理——在InsightCAE框架中是脚本驱动的、可复现的。

    FSI模拟的结果和关键绩效指标

    从复合材料螺旋桨的完全流固耦合模拟中，您将获得，除其他外：

    • 考虑实际工作几何形状的推力和扭矩特性
    • 从整个螺旋桨叶片的位移场（由此得出挠度、扭曲和扭转）
    • 层合材料的应力和应变分布——基于Puck、Tsai-Wu或类似准则的强度分析基础
    • 压差分布在机翼的吸力和压力面上
    • 空化指数与空化扩展（在扩展建模中）
    • 效率和运行点稳定性贯穿整个性能曲线范围

    应用领域

    我们的复合材料螺旋桨FSI解决方案可用于以下领域：

    • 高性能和运动用船的碳纤维或玻璃纤维船用螺旋桨
    • 水下无人机和AUV推进器在噪音排放或轻量化要求方面
    • 风力涡轮机叶片（小型风力涡轮机，垂直轴系统）
    • 带柔性复合材料叶片的潮汐流涡轮机
    • 用于验证FSI算法的研究应用

    结论：通过物理一致的流固耦合仿真实现精确的螺旋桨设计

    使用刚性计算流体动力学 (CFD) 设计复合材料螺旋桨，会带来性能预测和结构设计的系统性错误的风险。我们基于 OpenFOAM 和 Code_Aster 的耦合仿真解决方案可以弥补这一不足——经济高效、透明且完全自动化。这使您可以像实际工作一样设计复合材料螺旋桨：变形、受载荷且性能已优化。.

    您正在开发一种复合材料螺旋桨，并且需要一个强大的流固耦合 (FSI) 仿真吗？ 联系我们 – 我们将陪伴您完成从几何到验证结果的所有工作。.

  • Kavitationsimulation in Turbomaschinen: CFD-Vorhersage mit OpenFOAM

    在涡轮机械中的空化模拟：使用OpenFOAM进行CFD预测

    空化是流体输送的透平机械中最关键且成本最昂贵的现象之一。它限制了运行范围，降低了效率，引起了噪音和振动——在最坏的情况下，甚至可能在短时间内导致不可逆的材料损坏。基于 CFD 的空化模拟是目前在设计阶段有效应对这一现象最可靠的工具。.

    什么是空化——为什么它如此危险？

    空化 指的是液体因压力下降而低于其蒸气压所导致的局部蒸发，且温度不升高。在涡轮机械中，这种压降通常发生在流动速度高的地方：例如泵叶轮的吸入口侧，螺旋桨叶片的压力缘，或者狭窄的间隙区域。.

    产生的蒸汽气泡一旦进入更高压力的区域就会突然破裂。这种破裂会产生：

    • 微脉冲射线 具有数千巴的局部压力峰值——磨损的主要原因（空化腐蚀）
    • 压力脉动和振动, ，这对轴承、密封件和相邻结构造成了压力
    • 学习发展 通过宽带声发射，发出特征性的噼啪声和敲击声。
    • 性能骤降大空腔区域会阻塞流动横截面，导致扬程或推力崩溃

    空化作为汽轮机限制现象

    的 汽蚀是限制涡轮机械性能的现象, 在液体中运行。为了预测空化开始及其对机器性能的影响， CFD 模拟是最可靠的方法 并安装。几乎所有加速或偏转液体的机器类型都受到影响：

    • 离心泵——尤其是在低吸入压力（NPSH低于临界值）时
    • 船舶和水下螺旋桨——在重载或部分载荷运行时
    • 水泵水轮机和水轮机（弗朗西斯、卡普兰、佩尔顿）——在部分负荷和过载范围内
    • 高压系统中的液压马达和液压泵
    • 火箭发动机和高性能泵中的感应器级

    CFD 中的空化模拟：物理基础

    现代CFD空化模型基于 两阶段方法该流体被建模为液相和汽相的混合物，其中局部蒸汽体积分数由输运方程控制。已建立的模型方法是：

    • 施纳尔-萨尔模型基于简化的瑞利-普莱塞特方程用于气泡生长；已很好地验证了泵汽蚀
    • Zwart-Gerber-Belamri 模型考虑气泡种群与传质之间的相互作用；广泛应用于工业领域
    • 默克尔模型基于压力的传质方法，在瞬态计算中特别稳定

    空化模型通过合适的 湍流模型 (k-ω SST, k-ε Realizable) 以及——如果需要——适用于低温流体或热水的热效应模型。.

    CFD 气蚀模拟具体能做什么？

    精心设置的空化模拟提供的不仅仅是关于是否会发生空化的信息。典型的结果包括：

    • 空化起始确定临界工作点（压力、流量、转速），从该点开始发生气蚀——作为 NPSH 曲线和安全证明的基础。
    • 空间空化传播视化叶片表面、通道或吸入口处的蒸汽体积分数——用于识别易受侵蚀的区域
    • 汽蚀引起的性能下降根据空化指数 σ 量化扬程或推力下降
    • 瞬态空化动力学周期性溃缩空泡结构（云空泡、片空泡）及其压力脉动仿真
    • 侵蚀潜力图通过分析气泡破裂时的局部压力脉冲来识别材料去除区域

    我们的工作流程：使用开源软件进行空化模拟

    我们的空化模拟完全使用 开源软件 进行——主要是用 OpenFOAM 并嵌入到自动化 InsightCAE-工作流程:

    • 几何与网格划分具有精细壁分辨率和空化易损区域网格加密的自动网格生成
    • 住院术前检查快速评估打印场并识别无空化模型的关键区域
    • 非定常空化模拟启用两相模型和计算随时间变化的空化行为
    • 自动化后处理特性曲线评估、蒸汽体积百分比可视化、压力脉动分析
    • 参数变化系统计算多个运行点以创建完整的NPSH曲线

    空化模拟作为抗空化设计的依据

    基于 CFD 的空化分析的真正优势不仅在于诊断，而在于 优化. 基于模拟结果，可以有针对性地推导和评估结构性措施：

    • 叶片几何形状（型面形状、前缘、弯度）的调整以优化压力分布
    • 进水压力和叶轮前吸压差的变化
    • 已识别的侵蚀区域中耐空蚀材料的应用
    • 用于降低NPSH的导向叶轮几何优化

    结合我们自动化的优化框架，可以系统地研究许多几何变体的空化行为——每种变体无需额外的体力劳动。.

    结论：在空化造成损坏之前进行计算

    涡轮机械中的空化现象并非无法控制的宿命——它既可预测、可定位，也能通过有针对性的设计措施加以控制。基于OpenFOAM的CFD空化模拟为此提供了最精确且最具成本效益的工具：无需许可费用，可完全自动化，并能直接集成到设计流程中。.

    您想在数值上研究您的泵、螺旋桨或涡轮机的空化特性吗？ 联系我们 – 我们在设备损坏之前分析您的机器并找出可优化的潜在之处。.

  • Propulsionsanalyse und Antriebsleistungsvorhersage mit Open-Source-Software

    推进分析和推力性能预测，使用开源软件

    在通过计算流体动力学（CFD）或其他计算方法确定螺旋桨自由航行曲线后，还需要进行进一步分析——特别是 推进分析 – 不可或缺，可用于可靠预测特定船舶的推进功率。我们开发了专门的分析软件解决方案，它们仅基于开源软件，能够无缝集成到船舶设计过程中。.

    从自由运行曲线到驱动分析

    的 螺旋桨自由航行曲线 (也称为敞水曲线) 描述了螺旋桨在特定条件下——不受船体影响——的水动力性能。它提供了基本的性能参数，如推力系数 (KT), 扭矩系数 (KQ和螺旋桨效率（η）随螺距（J）的变化。.

    这条曲线构成了所有进一步分析的基础，但本身不足以... 实际船舶运行中的驱动功率 确定。只有通过完整的推进分析——考虑到船体阻力、尾流、吸力和机械损失——才能做出可靠的性能预测。.

    驱动力分析：方法和计算步骤

    一个完整的 船舶推进分析 通常包括以下步骤：

    • 电阻预测 确定给定速度下船舶的总阻力，例如通过 CFD 模拟或基于公认的近似方法（ITTC 方法、Holtrop-Mennen）。.
    • 螺旋桨-船体相互作用 考虑下游系数 (w)，吸力系数 (t) 和相对转子效率 (ηR).
    • 运行点确定 螺旋桨和发动机联合工作点（自航点）的测定。.
    • 表现预测 计算包含齿轮和轴承损耗在内的所需轴功率。.
    • 海损和污损附加费 为实际操作条件下的运行补充实践相关附加费（海损余量、防污余量）。.

    我们基于开源的软件解决方案

    我们有定制的 分析软件解决方案 开发，完全基于开源技术——透明、灵活且经济高效。我们的工具旨在无缝集成到现有的设计流程中，无论是早期概念阶段还是详细设计阶段。.

    我们的开源方法的优势：

    • 透明度和可追溯性 所有计算步骤均公开可查，并可进行科学验证。.
    • 摆脱商业许可模式的限制 无隐藏费用，无供应商锁定。.
    • 互操作性 可轻松集成到主流CFD软件包（如OpenFOAM）及其他设计工具中。.
    • 可定制性 全面适应项目特定需求和船舶类型。.
    • 社区与持续发展 受益于活跃的开源社区和持续的改进。.

    应用领域和船舶类型

    我们的分析方法适用于多种船型和应用领域，包括：

    • 商船（集装箱船、油轮、散货船）
    • 工作船和海上供应船
    • 渡轮和客船
    • 科研与特种车辆
    • 运动船艇和游艇

    结论：现代船舶设计中的高效性能预测

    精确的CFD推进器分析与结构化驱动分析相结合，如今构成了 船舶水动力设计的技术现状. 凭借我们的开源软件解决方案，我们为船舶工程师和设计公司提供了一个强大、透明且经济高效的工具——从自由航行曲线到最终性能预测。.

    联系我们，了解我们的分析方法和软件解决方案，或查看我们的案例研究和参考项目。.