Диссертация (1024729), страница 5
Текст из файла (страница 5)
На следующих рисунках приведены фрагменты интерфейсапрограммы CFturbo при профилировании рабочего колеса и направляющегоаппарата (Рисунок 1.21, 1.22).Рисунок 1.20. Построение спирального двухзавиткового отвода средствамиSolidWorks34Рисунок 1.21. Профилирование рабочего колеса в пакете CFturboРисунок 1.22. 3D модель направляющего аппарата, построенного в пакетеCFTurboПакет CFTurbo не позволяет профилировать некоторые специфическиеэлементы проточных частей насосов, например, полуспиральные подводы,построение двухзавитковых отводящих устройств реализовано не совсемкорректно. Также в базовых возможностях пакета отсутствуют средствапользовательскогопрограммирования,чтосильнозатрудняетегоиспользование в процессе автоматизированной оптимизации. Однако этапроблема была решена в рамках настоящей работы.35Среди специализированных кодов по построению элементов проточныхчастей насосов можно отметить программу AutoBlade компании Numeca [37].Данный код позволяет не только создать параметризованную геометрическуюформу лопасти рабочего колеса и направляющего аппарата, но также ипараметризовать готовую лопасть, что удобно при оптимизации имеющейсяпроточной части насоса.
Программный пакет поддерживает пользовательскоепрограммирование и связь с другими продуктами компании Numeca дляпоследующего построения сетки и расчета насоса. Однако продукты Numecaв основном специализируются на профилировании проточных частейкомпрессоров, а не насосов, поэтому отсутствие автоматизированных средствпостроения таких элементов проточной части как отводы затрудняетприменение AutoBlade при комплексной оптимизации проточных частейнасосов.Отсутствие средств профилирования некоторых элементов проточнойчасти в приведенных программных кодах приводит к необходимости ихадаптации к решению поставленной задачи оптимизации проточных частейнасосов. Например, в работах [38],[39] [40] разработаны специализированныесредства построения двухзавитковых спиральных отводящих устройств(Рисунок 1.23) и полуспиральных подводящих устройств (Рисунок 1.24).Рисунок 1.23. Построение двухзавиткового отводящего устройства36Рисунок 1.24.
Построение параметризованного полуспиральногоподводящего устройстваВсеперечисленныеспособыавтоматизированногопостроенияэлементов проточной части насосов обладают своими преимуществами инедостатками. Создание методики комплексной оптимизации проточныхчастей насосов требует совместного использования многих перечисленныхсредств с целью получить наиболее эффективный, с точки зрениязатраченного времени и человеческих ресурсов, способ получения трехмерноймодели элементов проточной части и их комбинаций.1.7.Обзорметодовоптимизациипроточныхчастейнасосовсиспользованием методов вычислительной гидродинамикиМетоды оптимизации проточных частей насосов, как уже было указановыше, можно разделить на интуитивные и математически формализованные.Интуитивные методы очень часто используются в инженерной практике, таккак понятны и не требуют использования сложных алгоритмов.
Все решенияпринимает расчетчик по результатам анализа результатов расчета.Можно найти множество публикаций о получении тех или иныххарактеристик проточных частей путем интуитивного перебора вариантов сиспользованием одного параметра и критерия оптимизации, что по сути также37является интуитивной оптимизацией, т.к. при наличии всего однойизменяемой величины нет необходимости в использовании сложныхматематических алгоритмов, расчетчик сам определяет направление движенияпо результатам расчета.Например, в работе [41] авторы численными методами исследуютэффективность различных форм сечения отводящего устройства.
В работе [42]исследуется влияние параметров рабочего колеса на входе на кавитационныехарактеристики (Рисунок 1.25), при этом выбор количества расчетных точек изначенияпараметроввыбираютсяисследователемпособственнымсоображениям.В работе [43] проточная часть насоса оптимизируется по критериюэнергоэффективности, при этом выбор расчетных точек и параметровоптимизации проводится исследователем интуитивно. У такого подхода естьсущественные недостатки. Во-первых, качество полученного результата исроки его достижения сильно зависят от квалификации исследователя и слабопрогнозируемы. Во-вторых, такими методами практически невозможнопроводить оптимизацию по нескольким критериям, особенно если этикритерии входят в противоречие друг с другом.Добавлено примечание ([ST6]): Ссылка не соответствуеткомпрессору – там про насос38Рисунок 1.25.
Оптимизация геометрической формы входа врабочее колесо [42]Автоматизированныеметодыоптимизациисложнееитребуютбольшого количества времени для внедрения их применения в производстве.В калужском филиале МГТУ им. Н.Э.Баумана был проведенкомплексныйанализсуществующихметодовавтоматизированнойоптимизации проточных частей лопастных гидромашин [44]. В работеподробно описаны основы методов автоматизированного проектирования иприведены примеры однокритериальной и многокритериальной оптимизациигидромашин. В частности, рассмотренный в указанной работе метод ЛП-таупоиска был использован в настоящей работе.Зарубежные научные центры также занимаются многокритериальнойоптимизациейпроточныхчастейнасосов.Такиеработыведутсяпреимущественно в США, Германии, Японии и Китае.
Например, в работе [45]приведены результаты оптимизации рабочего колеса насоса с использованиемчисленногогидродинамическогомоделированияинейронныхсетей39(Рисунок 1.26). В работе было выбрано 4 параметра оптимизации и двакритерия–кавитационныйзапасиэффективность.Ксожалению,рассмотрение только рабочего колеса без учета влияния отводящего иподводящего устройств приводит к неполному решению задачи оптимальногопроектирования.Рисунок 1.26. Паретово множество при оптимизации рабочего колеса насосапо критерию КПД и кавитационного запасаНестандартный метод оптимизации (метод роя) применен в работе [46].Метод является стохастическим и применимым при поиске глобальногоминимума целевой функции. В статье указано, что на расчет одного вариантапроточной части затрачивалось около 30 мин времени, что позволяетпроводить оптимизацию в довольно короткие сроки.
Проводился расчетнасосавцелом,однакопараметризовалосьлишьрабочееколесо(Рисунок 1.27). При расчете насосов с простой формой проточной частиданный подход является сравнительно эффективным.40Рисунок 1.27. Оптимизированная и исходная геометрическая форма рабочегоколесаВсе перечисленные труды подготавливают научную платформу дляразработки методов оптимального проектирования, позволяющих в сжатыесроки получать оптимизированные по многим критериям проточные частицентробежных насосов с минимальными затратами ресурсов, так какчисленный эксперимент позволяет значительно сократить объем натурныхиспытаний.
В данной работе сделана попытка обобщить имеющийся опытоптимизации проточных частей, а также разработать новые алгоритмы ирекомендации при проведении подобных работ.1.8.Методы экспериментального определения параметров лопастныхнасосовРезультатылюбыхчисленныхэкспериментовтребуютэкспериментальной проверки. Это связано и с неизбежной погрешностьюрасчётных методик, и с вероятностью ошибки в математических моделях илиметодах расчета.В практике гидромашиностроения применяют испытания двух типов.Первый – это испытания полноразмерного опытного образца гидромашины.Такой эксперимент проводится всегда на конечном этапе опытноконструкторской работы по проектированию новых образцов оборудования.Однако стоимость и время изготовления опытного образца, особенно в случаебольших мощностей и габаритов (Рисунок 1.28) агрегатов, существенно41лимитирует возможности такого подхода при необходимости испытанийнескольких вариантов проточной части.
В случае ошибок в расчетных моделяхнеудачныеиспытанияполноразмерногообразцамогутпривестикзатягиванию сроков сдачи продукции от нескольких месяцев до несколькихлет.Рисунок 1.28. Нефтяной магистральный насос НМ10000-210 с мощностьюдвигателя около 10 МВтАльтернативнымметодомявляетсяиспытаниередуцированныхмоделей проточных частей с последующим пересчетом параметров нанатурные размеры по формулам подобия гидромашин [1]. Такая практикадавно себя зарекомендовала при испытаниях гидротурбин [47].
Данныйподход позволяет существенно сократить стоимость и сроки испытаний иверифицироватьиспользуемыематематическиемодели.Особенноактуальным применение такого метода стало с появлением аддитивныхтехнологийизготовленияэлементовпроточныхчастейнасосов.Использование пластиковых деталей, изготовленных на 3D принтерах(Рисунок 1.29), для макетов проточных частей насосов позволяют сократитьсроки испытаний до 1-2 месяцев, а стоимость испытаний – до 10 раз.42Рисунок 1.29.
Рабочие органы насосов, изготовленные методами трехмернойпечатиПоявлениеуказанныхтехнологийприводиткнеобходимостиразработки новых методик изготовления и испытания масштабных макетовнасосов.43ГЛАВА 2.ОСОБЕННОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОГОМОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЯХЛОПАСТНЫХ НАСОСОВИспользованиевычислительнойгидродинамикидляполученияхарактеристик насосов в процессе поиска оптимальной проточной частинакладывает особые требования к используемым численным моделям. Содной стороны, модель должна обладать достаточной точностью дляполучения адекватной оценки полученных характеристик, с другой – обладатьвычислительной эффективностью для максимального сокращения временивычислений.В качестве прикладного программного пакета в данной работеиспользовался программный продукт STAR CCM+, специализирующийся нагидродинамическом моделировании.Далее приводятся основные сведения об используемых математическихмоделях и их настройках.2.1.Используемый метод дискретизацииПри численном моделировании использовался метод контрольногообъема [48].
Суть метода состоит в следующем:Расчетная область разбивается на множество малых ячеек. Размерыячеек колеблются от 0,5 мм до 10 мм в зависимости от решаемой задачи игеометрического расположения в проточной части (например, внутрирабочегоколесарасчётныеячейкиизмельчаются).Каждаяячейкапредставляет собой замкнутую область течения жидкости или газа(Рисунок 2.1), для которой производится поиск полей макроскопическихвеличин (например, скорости, давления), описывающих состояние среды вовремени и удовлетворяющих определенным законам, сформулированным44математически.
Наиболее используемыми являются законы сохранения вЭйлеровых переменных.Рисунок 2.1. Баланс потоков через контрольный объемДля любой величины ϕ, в каждой точке O(x,y,z,t) пространства,окруженной некоторым замкнутым конечным объемом, в момент времени tсуществует следующая зависимость: общее количество величины ϕ в объемеможет изменяться за счет следующих факторов:–транспортколичестваэтойвеличинычерезповерхность,ограничивающую контрольный объем — поток;–генерация (уничтожение) некоторого количества величины ϕвнутри контрольного объема — источники (стоки).Математически это записывается следующим образом:,где— изменение некоторой физической величины;— конвективное слагаемое в абстрактном законе сохраненияфизической величины;45— диффузное слагаемое в абстрактном законесохранения физической величины;— источниковое слагаемое в абстрактном законе сохраненияфизической величины.Полученное уравнение интегрируется по контрольному объему дляполучения дискретных аналогов исходных дифференциальных уравнений.Использование метода контрольного объема при решении задачконвекции и диффузии (именно эти процессы являются определяющими прирешении задач гидродинамики) позволяет некоторую свободу при выбореаппроксимаций между узлами расчетной сетки, что в итоге приводит кполучению устойчивой численной схемы решения полученных дискретныханалогов.Использованиедругихметодовдискретизациисталкиваетсяструдностями получения решения в местах сложной геометрии и резкихизменений решения.2.2.Используемая математическая модельТечение жидкости в проточной части насоса в подавляющем числеслучаев является турбулентным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
