Диссертация (1024729), страница 3
Текст из файла (страница 3)
в проточнойчасти), расчетчику становится сложно принимать решение о направлениипоиска (например, оптимизация виброакустических характеристик насосов).Такжеинтуитивныеметодыстановятсямалоэффективнымивблизиминимумов критериев. Оптимизация вблизи оптимальной точки в принципетеряет эффективность и требует существенного увеличения количествапробных точек, что делает невозможным постоянное вовлечение человека впроцесс расчета, в связи с необходимостью огромных временных затрат.Оптимизациясиспользованиемформальныхматематическихалгоритмов не обладает обозначенными недостатками.
При использованииавтоматических методов генерации пробных геометрических форм проточнойчасти и при наличии достаточных вычислительных ресурсов такаяоптимизация позволяет получать результаты в крайне сжатые сроки (1-2недели). Стоит, однако, отметить, что в связи с принципиальной сложностьюгидродинамических процессов в проточной части, а также со сложнымхарактером взаимовлияния различных элементов проточной части друг надруга,исключениечеловекаизпроцессаоптимизацииявляетсянежелательным. Анализ полученных картин течения и результатов наразличных этапах оптимизации может позволить избежать длительныхрасчетов и обнаружить некорректности при составлении процедурыоптимизации.16Методы оптимизации, основанные на применении формальныхматематических алгоритмов, можно разделить по признаку наличияслучайных факторов при выборе последующих шагов оптимизации нанаправленные и стохастические (Рисунок 1.2).Рисунок 1.2.
Направленные и стохастические методы оптимизацииК направленным методам относятся различные типы градиентныхметодов, разновидности симплекс метода и пр. Такие методы оптимизацииобладают высокой скоростью сходимости, но требуют хорошего начальногоприближения, они хорошо подходят для поиска локальных минимумовфункций.Стохастические (случайные) методы требуют гораздо большего объемавычислений.
К ним относятся, например, генетические алгоритмы и методыЛП-тау поиска. Они позволяют находить глобальные минимумы целевыхфункций, т.к. включают в свои алгоритмы случайные выборки параметровоптимизации.17По признаку вовлечения в процесс оптимизации отдельных элементовпроточной части или моделирования насоса в целом можно классифицироватьоптимизацию на комплексную и по отдельным элементам (Рисунок 1.3).Комплексная оптимизация позволяет учесть взаимное влияние отдельныхэлементов проточной части друг на друга.
Особенно это важно при оценкенестационарных эффектов, например, виброакустических свойств. Однакокомплексная оптимизация требует больших ресурсов.Рисунок 1.3. Классификация оптимизационных алгоритмов проточныхчастей по количеству отдельных элементов в расчете1.3.Обзор работ, посвященных тематике диссертацииВ различных литературных источниках рассмотрены методы по расчетуи проектированию проточных частей центробежных насосов.
Все они сильноотличаются как по теоретическим предпосылкам, так и по степени возможнойавтоматизации. Основы всех методик были заложены еще в первой половине20-го века и подробно изложены в таких трудах как [1] и [2]. В дальнейшем,как и в нашей стране, так и за рубежом, на базе этих методов активноразрабатывались полуавтоматизированные и автоматизированные алгоритмыпостроения проточных частей центробежных насосов и их оптимизации.
Внашей стране работы в этом направлении активно проводились во ВНИИГидромаш, в группе компаний «ГМС», в МЭИ, МАИ, калужском филиалеМГТУ им. Н. Э. Баумана, в Санкт-Петербургском государственномполитехническом университете и во многих других научных центрах.18С ростом технических требований к насосному оборудованиюужесточаются требования и к самим методикам построения проточных частейи их оптимизации, т.к. при использовании алгоритмов, требующих расчетабольшого числа пробных точек, скорость построения проточной части и еерасчета методами CFD стала лимитирующим фактором.С развитием методов численной гидродинамики при проведенииоптимизациипроточнойчастисильновозросларольчисленногоэксперимента. Теперь для перебора многих вариантов проточной части нетребуется многочисленных экспериментальных работ.Обзор состояния рассматриваемой тематики можно разбить нанесколько подразделов. В первую очередь стоит рассмотреть методыоптимизации проточных частей без использования CFD методик, хорошозарекомендовавших себя при проектировании насосов на протяжении 20-говека.1.4.Классические методы расчета проточных частей насосовДо появления средств трехмерного гидродинамического моделированиятечений в проточных частях насосов успешно применялись классическиеметоды расчета.В нашей стране получила широкое распространение методикапрофилирования рабочих колес насосов на основе метода конформногоотображения [3].
Метод основан на струйной модели течения жидкости врабочем колесе (Рисунок 1.4).Применение струйной теории позволяет хорошо предсказать параметрынасоса вблизи оптимальной точки при плавном обтекании лопастей потоком.Однако вдали от рабочей точки структура потока в колесе нарушается,образуются обширные вихревые зоны (Рисунок 1.5). У насосов некоторыхтипов, например, грунтовых, в связи с большим условным проходом часто не19удается избежать срывов потоков с лопастей и в номинальном режиме. Этоосложняет точный расчет характеристик на основе одномерных моделей.Рисунок 1.4.
Конформная диаграмма для профилирования рабочего колесаПри профилировании спиральных отводящих устройств большинствоклассических теорий принимают допущение о постоянстве момента скоростижидкостив сечении спиральной части [1] [2] [4], что является идеализациейпотока при пренебрежении вязкостью жидкости (Рисунок 1.6):∙Рисунок 1.5. Вихревые структуры в рабочем колесе насоса20Рисунок 1.6. Распределение скорости в сечении спиральной части отводаПри профилировании спиральной части подводящего устройства такжеиспользуется гипотеза о постоянстве момента скорости [4].Методики профилирования проточной части направляющих аппаратовописаны в работах [5] и [6].Основнымнедостаткомвсехприведенныхподходовявляетсяневозможность теоретического расчета гидравлических потерь в проточнойчасти.
Для построения прогнозных характеристик насосов необходимоиспользовать эмпирические данные [7]. Например, для определениягидравлическогоКПДнасосаширокоприменяетсяформулаА.А. Ломакина [3]:1Г0.420.172Такие эмпирические оценки применимы не для всех проточных частей.А необходимым условием справедливости формулы Ломакина являетсяправильно спрофилированная проточная часть насоса.Попытки использования одномерных классических методик дляопределениянапорныхиэнергетическиххарактеристикнасосовпредпринимаются и в настоящее время [8]. Данная методика позволяет21предсказать характеристики насоса с высокой точностью без применениясложных CFD методов.Несмотрянапростотуивычислительнуюэффективностьвсеклассические методы расчета требуют высокой квалификации расчётчика иналичияунегобогатогоопытапрофилированиядлядостиженияположительного результата.
Не учет полной структуры течения в проточнойчасти не позволяет проследить за влиянием на параметры насоса многихгеометрических параметров, например, изменение угла установки лопастивдоль канала, угла охвата лопасти, диффузорности каналов отводящихустройств и пр., не позволяет сделать однозначный вывод о значениихарактеристик насосов.Ситуация усугубляется при проектировании насосов специальныхтипов: грунтовые, канализационные, малошумные и пр. Большинствоэмпирических коэффициентов выведены для насосов стандартных типов, чтоприводит к существенной погрешности при их использовании.Например, для малошумных насосов существуют свои рекомендации повыбору некоторых геометрических параметров (Рисунок 1.7), что затрудняетиспользование эмпирических данных, полученных для насосов других типов,для предсказания их характеристик.Рисунок 1.7.
Расположение входа на лопасть направляющего аппаратамалошумного (слева) и стандартного насосов (справа)22На данный момент классические методики профилирования вобязательном порядке применяются для получения основных размероврабочих органов насосов для формирования нулевого приближения в процессеоптимизации.Возможно также использование классических методов в комбинации сCFD расчетами, например, для расчета параметров второстепенных элементовпроточной части, что позволит уменьшить размеры расчетной области втрехмерной модели [9].1.5.Применение методов вычислительной гидродинамики для расчетапроточных частей насосовС появлением вычислительных машин с достаточным для проведениягидродинамического моделирования быстродействием этот метод расчетагидравлических машин стал бурно развиваться.
Численный экспериментобладает многими преимуществами перед другими методами исследования. Впервую очередь, численное моделирование позволяет значительно сократитьзатраты на проведение большого количества натурных испытаний, т.к. послеверификации математической модели, ее можно многократно использовать, неприбегая к физическому эксперименту.Вторым существенным преимуществом CFD является возможностьполучения наиболее полной информации о структуре потока и распределениитаких физических величин как скорость, давление, температура, параметрытурбулентности и др. в проточной части насоса.
Что в свою очередь позволяетсделать обоснованные выводы о необходимости модификации ее отдельныхэлементов (Рисунок 1.8, 1.9).В зависимости от конкретной задачи и наличия вычислительныхресурсов течение в насосах считают различными методами. На данный моментнаибольшее распространение получили математические модели на основе23полуэмпирических моделей турбулентности класса k-ω и k-ε в трехмернойпостановке. Однако применяются и другие подходы.Рисунок 1.8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
