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摘要：本文基于MicroStation以及NUMECA平台，对某型号离心压缩机成功的进行了优化计算，使得子午流道优化后的压缩机设计点效率提到了2.5个百分点；设计点压比提高5%左右，从而验证了基于MicroStation并结合CAE计算软件进行流场分析计算的可行性，对今后CEA方面的分析计算具有重大的意义。
关键词：MicroStation NUMECA；数值计算；流场分析；空气动力学；结构优化
1引言
在机械设计领域，尤其是对曲面设计能力要求较高的叶轮机械领域，建模软件基本是采用UG、Pro/Engineer、CATIA等软件实现的。但近年来也有少部分学者开始尝试基于MicroStation建模平台的CAD/CAE一体化方面的探索与研究。华东勘测设计研究院的刘臻熙、王国光、蒋海峰[1]将MicroStation与ANSYS进行了集成，提出了一种实现MicroStation与ANSYS之间数据接口的方法以及在MicroStation端对分析结果进行后处理和集成展示的解决方案，取得了良好的效果。中南勘测设计研究院的吴坤占[2]将MicroStation和ANSYS间的数据转化成功应用于工程实际当中，取得良好效果。
以上等人均基于MicroStation、ANSYS平台对研究对象进行了结构力学分析计算，并得到了较满意的结果。但迄今为止，基于MicroStation建模平台展开的流场仿真计算却鲜见。鉴于此，本文将采用MicroStation建立叶轮机械模型，并利用NUMECA流场分析计算软件对某型号离心压缩机展开气动分析计算，探索基于MicroStation建模及NUMECA流场分析平台进行流场分析计算的可行性。
2研究对象的描述
本文要研究的对象是某型号离心压缩机，包括叶轮、无叶扩压器、弯道、回流器等通流设备。其主要设计参数如表2-1所示。
其原始结构及三维模型如图2-1所示。从图2-1可以得知，该离心压缩机靠近回流器部分的弯道采用的是直角形式，弯道内侧采用的小曲率半圆。从气动角度分析，在弯道的前半部分，通流截面积沿流动方向逐渐扩大，气体处于扩压状态；在弯道的后半部分，通流截面积沿流动方向逐渐缩小，气体处于收敛状态。结合几何结构分析，气体在弯道前半部分转弯的外半径处扩压度过大，容易造成气流分离，形成漩涡区；在直角处以及弯道后半部分的内半径处，气体容易与壁面分离，产生漩涡，形成流动损失[3]。
表2-1 主要设计参数
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基于以上原因，本文提出了利用MicroStation建立压缩机三维模型，利用NUMECA流场分析软件对压缩机进行气动分析计算，从而实现通流部分的优化设计，提高离心压缩机的性能参数。同时，也尝试探索基于MicroStation以及NUMECA软件平台实现流场分析计算的新途径。
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图2-1 某型号离心压缩机通流部分结构图
3MicroStation与NUMECA介绍
MicroStation是Bentley公司研发的大型图形设计与管理系统，是集二维绘图、三维建模和工程可视化于一体的计算机辅助设计平台[4]。NUMECA FINE/TURBO软件软件是专门针对旋转机械的计算流体力学软件，包括分网器、求解器和后处理模型。IGG/AUTOGRID网格生成模块可高效、快速的生成高精度的结构化网格；FINE/Trubo模块并行计算功能支持百万网格节点的高精度、高效率的计算。
本文在MicroStaion平台中完成模型的建立，在NUMECA平台中实现网格的快速划分以及流场的分析计算。通过对流场结构、压力云图、熵损失分布等计算结果的分析，获得影响压缩机性能、形成能量损失的主要因素，继而通过在MicroStation平台中优化设备的整体结构，从而实现最终优化目标。
3模型建立及网格的划分
本文研究对象为某型号大型离心压缩机中的一级，包括叶轮、无叶扩压器、弯道、回流器四大部件。采用可控涡设计方法设计得到的高效率闭式线元叶轮叶片19片，叶片厚度4mm，回流器18片，叶轮D2直径为450mm。
整级设备模型均在MicroStation平台完成建立。由于叶轮叶片采用的是高效率、多自由度非规则的曲面，模型建立难度较大。本文采用在MicroStation中导入叶片型线后通过放样生成曲面并通过加厚生成最终的叶片。整体模型查看图4-1。
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图4-1 压缩机三维模型
在形成整级压缩机模型后，将成果导出为.igs的通用格式，从而输入至NUMECA的FINE/Trubo模块进行网格划分。为提高计算的进度以及效率，整级网格均采用六面体结构化网格，整级网格数量约100万左右，其中旋转部分网格约40万。为提高计算精度，对壁面附近的网格进行了加密处理从能能捕捉到壁面附近流场的细小变化。图4-2为通流部分整体网格以及局部网格细节。
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图4-2 压缩机通流部分网格结构图
4数值计算及分析
4.1原始结构数值结果分析
在设计点附近，原始结构计算得到的整级效率在85.6%左右，图5.1-1为计算得到的子午流道流线分部以及熵分布云图。由图分析可知，气流在弯道附近发生了严重的流动分离现象，产生了较大的能量损失。子午流道流线分布表明，扩压器与弯道交接处靠近轮盖一侧以及弯道与回流器交接处的轮盘侧，存在明显的漩涡区。熵分布云图也表明在以上两处的结构部位存在较大的能量损失。根据空气动力学分析原因，主要有以下几点：
（1）气流由扩压器进入弯道后，通流截面积沿流动方向是逐渐增大的，属于扩压流动，此时气流的静压逐渐升高，流速逐渐降低。气流的动能不能克服静压阻力时，便产生了气流分离，形成如图5.1-1的漩涡区
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子午流道流线分布 子午流道熵分布云图
图5.1-1 子午流道
（2）在气流由弯道进入回流器部位，虽然通流截面积逐渐减小，属于典型的收敛通道，但弯道内半径曲率太小，在气流的惯性作用力下出现了气流分离损失，导致能量损失。
4.2原始结构与优化结构比较
由以上分析可知，由于原始结构在弯道部分产生了严重的分离损失，为提高压缩机的整体性能，必须对压缩机原始子午流道进行优化，以减少漩涡区范围以及强度，提高压缩机的整级效率。本文根据流场分析计算结果，在Bentley软件中对压缩机子午流道结构进行了重新建模后导入Numeca重新计算，经过几次优化，得到了效率更高的子午流道型线。
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原始结构 优化结构
图5.2-1 优化前后子午流道结构对比图
相比原始子午流道结构，优化后的子午流道结构改进主要有：（1）弯道内侧采用了曲率半径较大的结构，从能控制气流在经过弯道时的方向变化更加顺畅；（2）减小了扩压器宽度，以控制扩压器出口气流的扩压度，不至于存在过度的膨胀扩压；优化前后的计算结果对比如下所示。
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原始结构
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优化结构
图5.2-2 优化前后弯道附近流线图
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图5.2-3 优化前后性能曲线对比
由5.2-2优化前后弯道附件流线图可以分析看出，优化后弯道内漩涡范围减小了很多。图5.2-3为优化前后性能曲线对比，由图可知，在设计点附件（5.6Kg/s）优化后的结构多变效率比原始结构的多变效率提高了大约2.5%左右，且总压比也有较大幅度的提升。
图5.2-4为优化后弯道部分的流场细节以及压力云图。由压力矢量图可以看出，优化后弯道的流场分布较为合理，弯道和回流器结合部分的回流几乎消失，扩压器与弯道部分的回流强度减弱较多。整个压缩机子午流道截面的压力梯度分布均匀、合理。
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弯道部分流程细节 子午流道压力云图
图5.2-4 子午面流场细节
图5.2-5为叶轮部分的流场分布，可以看出整个叶轮部分的流场分布比较均匀，没有出现大的分离现象，因此叶轮部分具有较高的效率。图5.2-5为从叶根至叶顶10%、50%、90%高度的界面压力云图以及流线分布图。不同截面的云图以及流线分布都比较平滑，在回流器90%叶高部分，回流器叶片的吸力面产生了一定的气流分离现象，该部分结构具有可提高的空间。
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叶轮部分流线分部 不同截面高度压力云图及流线分部
图5.2-5 后优化流线分部
5结论
（1）本文研究表明，Bentley软件与NUMECA软件能进行有效的集成，Bentley建立的模型能导入至NUMECA平台进行网格划分以及数值模拟计算。同时也表明Bentley软件能够适应非规则、复杂曲面的生成；
（2）基于Bentley建模平台并结合NUMECA计算结果，对压缩机子午流道进行了成功的优化改进，使得压缩机设计的附近的效率提高了2.5个百分点，总压比也得到了较大幅度的提高；
（3）减小弯道前半部分的扩压度，增大弯道内侧曲率能有效改善气体流动状态，减小漩涡范围以及强大，提高压缩机效率；
参考文献：
[1]刘臻熙，王国光，蒋海峰.基于MicroStation的CAE数据接口与一体化[J].中国勘察设计，2015，（06）：76-80.
[2]吴坤占.MicroStation和ANSYS数据转换的具体应用[J].工程建设与设计，2014，（09）：23-24.
[3]王锐，祁大同，王学军.离心压缩机弯道回流器子午型线的改进研究[J].中国电机工程学报，2010，（02）：109-114.
[4]郑欣欣.MicroStation与AutoCAD辅助设计软件对比[J].科技视界，2015，（34）：107.