Диссертация (1024729), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Распределение амплитуды скорости в сечении проточной частиРисунок 1.9. Распределение кинетической энергии турбулентности в сечениипроточной части насоса24Моделирование в двухмерной постановке позволяет провести расчет сминимальными затратами вычислительных ресурсов и времени, но, ксожалению, приводит к существенной погрешности расчетов 15-20% [10].Квазитрехмерные методы, рассмотренные в работах [11] [12] [13], позволяютснизить ошибку расчета, а требований к вычислительным ресурсампредъявляютненамногобольше.Самымитрудоемкими,касательновычислительных ресурсов, являются трехмерные методы расчета.На начальных этапах проектирования проточных частей частоиспользуются одномерные и квазиодномерные методы расчета, описанные вработе [14]. Такие методы позволяют провести первоначальный анализвариантов проточных частей.Существенный рост вычислительных возможностей в последнее времяпривел практически к полному вытеснению двухмерных и квазитрехмерныхзадач, в связи с тем, что полученные при такой постановке задачи результатыимеют большую погрешность, по сравнению с решениями в трехмернойпостановке, и могут быть использованы только в качестве предварительныхрасчетов (Рисунок 1.10).Рисунок 1.10.
Сравнение экспериментальных данных с результатамиквазитрехмерного расчета25Гидродинамическое моделирование течения в элементах проточнойчасти насоса в трехмерной постановке описывается как в отечественных, таки в зарубежных публикациях. В работе [15] исследовалось течение вцентробежном насосе в программном комплексе STAR-CD. В работе указано,что в такой постановке результаты расчетов хорошо совпадают сэкспериментальными данными.В РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина с помощью методовгидродинамического моделирования также ведутся работы по модернизациисуществующих конструкций насосов, однако пока выработаны лишь общиеконцепции [16].В УГАТУ также проводились численные расчеты проточных частейнасосов в пакете FLUENT [17].
Результаты расчетов приведены наРисунке 1.11. Видно, что расчеты в полной трехмерной постановке сиспользованием стандартной k-ε модели позволяют с малой погрешностьюрассчитать напор насоса на расчетных режимах, но дают большуюпогрешность при малых значениях подачи.Рисунок 1.11. Сравнение напорной характеристики насоса полученнойчисленным методом (1) с экспериментальной (2)26Исследования течения в отводящем устройстве центробежного насосаописаны в зарубежной работе [18]. В работе сделаны выводы, чтоокончательный численный эксперимент при исследовании течения в отводенасоса следует проводить только в нестационарной постановке, т.к.
всеквазистационарные методы приводят к существенной погрешности примоделировании плохообтекаемых тел. При работе насоса в неоптимальномрежиме лопатки рабочего колеса и элементы проточной части отводаобтекаются с большими углами атаки, что приводит к нестационарноститечения.На рисунке ниже приведены результаты моделирования течения(Рисунок 1.12). Видно, что давление в сечении отвода распределенонеравномерно по углу, а движение колеса приводит к изменению этогораспределения, что невозможно получить в стационарной постановке.
Такжеприведены результаты сравнения численного эксперимента с натурным(Рисунок 1.13). Видно, что в режиме недогрузки стационарное решение даетнепредсказуемую погрешность.Рисунок 1.12. Распределение давления в отводе насоса, работающего нанедогрузке (сверху) и перегрузке (снизу), представленные в работе [18]27Рисунок 1.13. Зависимость напора насоса от подачи, полученнаяэкспериментально, квазистационарным методом при различном положенииротора и в нестационарной постановке [18]Отдельностоитотметитьвкладвразвитиевычислительнойгидродинамики в отечественном насосостроении специалистов группыкомпаний “ГМС”, являющейся производителем насосов различного типа.Работы проводились в программном комплексе CFX и представлены вразличных работах [19] -[20][21][22][23] [24].В этих работах приведены данные по верификации результатовчисленного эксперимента и натурных испытаний для различных задач теченияжидкости. Ниже приведены некоторые рисунки из указанных публикаций(Рисунок 1.14 – 1.16).Рисунок 1.14.
Сравнение интегральных характеристик рабочего колеса28Рисунок 1.15. Сравнение данных натурного и численного эксперимента поизмерению распределения коэффициента закрутки в подводе насосаРисунок 1.16. Сравнение интегральных характеристик насоса, полученныхпри натурном и численном экспериментеЗа рубежом также ведется активное внедрение вычислительнойгидродинамики в процесс проектирования лопаточных гидромашин. В работе[25] приводится сравнение результатов моделирования многоступенчатогонасоса, работающего в турбинном режиме (Рисунок 1.17). Моделированиетечения в отводящем устройстве приведено в работе [26].29Рисунок 1.17. Сравнение расчётного и экспериментального напоровПогрешности расчетов интегральных параметров CFD методамисохраняют близкие значения для насосов различного типа.
В работе [27]приведены результаты сравнения расчетных и экспериментальных значенийнапоров для насоса осевого типа (Рисунок 1.18).Добавлено примечание ([ST5]): Нет рисУказанные исследования позволяют сделать вывод о том, что численныйэксперимент позволяет получить погрешность в сравнении с натурным вдиапазоне 1-5% как при расчете напорной характеристики, так и при расчетесиловых факторов, таких как момент на роторе, радиальные и осевыенагрузки. Это позволяет использовать данные численного эксперимента наэтапе проектирования насоса.Отдельнойпроблемойявляетсяинтерпретациярезультатовоптимизации проточных частей, полученных методами вычислительнойгидродинамики при необходимости улучшить параметры исходного насоса намалую величину, например, увеличить КПД на 1-2%, что являетсясущественным результатом для насосов большой мощности.
В таком случае30прирост параметров лежит в пределах вычислительной ошибки. Анализ путейрешения данной проблемы является частью настоящей работы.Рисунок 1.18. Сравнение расчетных и экспериментальных напоров длянасоса осевого типаПринципычисленногомоделированиявиброакустическиххарактеристик насосов хорошо показаны в работах [28] [29]. Изложенныеметоды применены в настоящей работе при разработке методов оптимизациипроточных частей.Кроме использования полуэмпирических моделей турбулентности винженернуюпрактикувнедряютсясовременныеметодырасчетатурбулентных течений класса LES и DES [30]. Такие подходы позволяютрассчитывать сложные нестационарные вихревые структуры, возникающиепри течении жидкости в проточной части насоса, и являются болееуниверсальнымивсравнениисдвухпараметрическимимоделямитурбулентности (Рисунок 1.19).Однако модели такого класса требуют гораздо больше вычислительныхмощностей и пока плохо подходят для использования в процессе оптимизациипроточных частей, так как такой процесс требует перебора многих вариантов31геометрических форм, что может увеличить время расчета до несколькихмесяцев или лет.Рисунок 1.19.
LES1.6.Обзор методов автоматизированного построения проточных частейцентробежных насосовОднимизнеобходимыхусловийуспешногорешениязадачиоптимизации проточной части является наличие средств автоматизированногопостроения ее геометрической формы для дальнейшего анализа течения в ней.Попытки автоматизировать трудоемкий процесс построения геометриипроточныхчастейнасосовначалипредприниматьсяспоявлениемвычислительных машин. Согласно публикациям В. П. Лукашевича в трудахВНИИ Гидромаша [31] и [32], первые системы автоматизированногопроектирования появились во ВНИИ Гидромаш в 1975 г. и позволяли в тойили иной степени автоматизировать процесс построения рабочего колесанасоса.В статье Р.В. Устиловского [33] упоминается созданный во ВНИИГидромаш программный комплекс по автоматизированному проектированию32отводов центробежных насосов, указаны его недостатки и описан способпостроения сечений отвода насоса при помощи B-сплайнов в программномкомплексе, снабженном графическим интерфейсом.
В учебном пособии О.В.Байбакова [34] также приведена методика и готовые алгоритмы дляавтоматизированного проектирования отводов. Здесь промежуточные сеченияпредлагается строить прямыми и участками дуг окружностей. Этот методиспользованприавтоматизациипостроенияотводовсовременнымисредствами в работе [35].Классическая методика С.С. Руднева по профилированию рабочих колесоформлена в виде программного кода, разработанного в Калужском филиалеМГТУ им. Н.Э. Баумана.Перечисленные средства проектирования не позволяли получитьокончательную трехмерную модель проточной части, необходимую дляпроведения CFD анализа, что ограничивает их применение при автоматизациипроцесса оптимизации насоса.Появлениеуниверсальныхпакетовтрехмерногомоделирования(SolidWorks, NX, Catia и пр.) позволяют параметризовать отдельные элементыпроточной части и автоматизировать их построение (Рисунок 1.20), например,с использованием средств пользовательского программирования, встроенныхв указанные пакеты.
Недостатком такого подхода является невозможностьиспользовать в качестве параметров оптимизации специфические дляпроточных частей насосов величины (например, пропускная способностьотводящего устройства и т.п.), т.к. универсальные пакеты 3D моделированияне оперируют такими понятиями.Из современных средств автоматического проектирования следуетотметить программный комплекс CFTurbo немецкой компании CFturbo®Software & Engineering GmbH [36]. Программный комплекс позволяетавтоматизировать процесс проектирования проточной части рабочих колес,33направляющих аппаратов и отводящих устройств центробежных и осевыхнасосов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
