Диссертация (1024729), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Выводы по результатам верификации численной моделиИз приведенных результатов сравнения экспериментальных данных срасчетными можно сделать вывод, что совпадение наблюдается как присравнении интегральных, так и локальных характеристик.Полученные при сравнении давлений погрешности в 2-4% по абсолютнойвеличине соответствуют погрешностям измерительной аппаратуры.Вблизиноминальногорежимаработынасосаинтегральныехарактеристики, полученные экспериментально, совпадают с расчетными спогрешностьюоколо1%,чтопозволяетиспользоватьрезультатымоделирования без проведения дальнейших испытаний.2.8.Результаты применения описанной математической моделиПорезультатаммногочисленныхрасчетовпопредложеннойматематической модели можно сделать некоторые выводы:1.Точность расчетов лежит в пределах 1-4%, что, с одной стороны,позволяет относиться к результатам моделирования с большой долей доверия,но, с другой, ставит под вопрос оптимизацию проточной части в результате,которой, например, КПД увеличился на 1-2%, что является причиной многихспоров и разногласий.
Однако следует отметить, что погрешность носитстатистический характер, что позволяет заключить, что если две расчетныемодели отличаются значением КПД в 1-2%, то тот же эффект будет обнаруженпри натурных испытаниях образцов.2.Предложенныеупрощенияматематическоймоделиприправильном использовании позволяют существенно упростить модель иускорить процесс оптимизации без потери эффективности.3.облегчитьПредложенные методы упрощения позволяют существеннопроцессавтоматическойгенерациипроточных частей для последующего расчета.трехмерныхмоделей78ГЛАВА 3.МЕТОД РАСЧЕТА ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ С ПРИМЕНЕНИЕМОПТИМИЗАЦИОННЫХ АЛГОРИТМОВ3.1.Общее описание метода расчетаЗадача поиска оптимальной для конкретных условий проточной частинасоса в общей постановке является крайне сложной и трудноформализуемой.Наличие большого числа геометрических параметров и взаимовлияниякритериев оптимизации предполагает в общем случае индивидуальныйподход в каждом конкретном случае проектирования.
Однако опытприменения CFD методов и формальных математических алгоритмовоптимизациипозволилсформироватьнекоторыеобщиеподходы,позволяющие существенно сократить время поиска оптимального решения иминимизировать вероятность принятия ошибочных решений.Предлагаемый метод расчета проточных частей центробежных насосовоснованнагидродинамикиверификациипримененииисовременныхалгоритмовполученныхсредствоптимизации,результатовапутемвычислительнойтакжепоследующейиспытаниймакетаспроектированной проточной части.Схематично алгоритм расчета приведен на Рисунке 3.1.3.2.Предварительный анализ проточной частиПервоначальный анализ течения в проточной части исследуемого насосаявляется самой трудноформализуемой стадией процесса оптимизации.Качественный анализ может существенно упростить процедуру дальнейшейоптимизации.
При анализе течения следует обращать внимание не только нараспределение таких величин как скорости и давления, но и на распределение79завихренности, величин, характеризующих турбулентность, и даже на нагревжидкости, характеризующий потери энергии.Рисунок 3.1. Алгоритм применения предлагаемого метода расчета проточныхчастей насосовДалее разобраны отдельные элементы предлагаемого метода.На Рисунке 3.2 представлено распределение кинетической энергиитурбулентности в проточной части рабочего колеса насоса.Кинетическая энергия турбулентности определяется соотношением:2Добавлено примечание ([ST15]): Два слова получаются80и характеризует интенсивность турбулентных пульсаций в потоке. Израсчета видно, что поток существенно турбулизуется на входе на лопастьрабочего колеса, а значит параметры входа следует включать в параметрыоптимизации при построении соответствующей процедуры.Рисунок 3.2.
Распределение турбулентной кинетической энергии в проточнойчасти рабочего колеса насосаИногда удобным способом поиска проблемных зон в проточной частиявляется расчет течения с учетом нагрева жидкости. При использованииматематической модели, не учитывающей изменение физических свойствжидкости при изменении температуры, включение в решаемую системууравнений уравнения энергии никак не скажется на полученных поляхскоростей и давлений.
Однако изменение температуры жидкости будетговорить об интенсивных гидравлических потерях в данной зоне течения(Рисунок 3.3). При таком подходе рекомендуется искусственно уменьшатьтеплоемкость жидкости для более наглядного результата.Предварительный анализ должен ответить на вопрос какие элементыпроточной части следует оптимизировать и в какой постановке необходимомоделировать проточную часть (насос целиком либо поэлементно).Поэлементная оптимизация проточной части насосов обладает какпреимуществами, так и недостатками.81Рисунок 3.3. Нагрев жидкости в проточной части насоса при искусственномуменьшении ее теплоёмкостиК преимуществам можно отнести:1.Упрощение расчетной области и, как следствие, уменьшениезатрат времени на процесс оптимизации и упрощение процедуры настройкиавтоматизированных процессов в целом.2.Уменьшениеколичестваварьируемыхгеометрическихпараметров, что упрощает самый трудноформализуемый процесс выборапараметров оптимизации (чаше всего решение основано на интуитивныхсоображениях расчетчика).3.Общее упрощение модели позволяет отделить и выявитьфизические причины влияния тех или иных параметров на критерииоптимизации.К недостаткам можно отнести:821.Вероятностьбольшеговлияниянавыбранныекритерииоптимизации других элементов, что сводит усилия по улучшению критериевоптимизации к минимуму.
Например, подводящее устройство насосов типа«Д» вносит вклад в общие гидравлические потери в насосе на уровне 2-5%, ипопытка повысить КПД насоса за счет изменения формы подвода не приведетк каким-либо существенным изменениям характеристик насоса.2.Не учет взаимовлияния отдельных элементов проточной частидруг на друга может либо снизить достоверность полученных результатов,либо свести их на нет. Например, расчет кавитационных качеств насоса безучета влияния подводящего устройства либо отсутствие пульсационнойсоставляющей радиальной нагрузки на ротор при оптимизации отводящегоустройства отдельно.Возможен альтернативный подход оптимизации отдельного элементапроточной части в смысле его параметризации при сохранении в модели всейпроточной части.В случае существенного вклада в исследуемые критерии несколькихэлементов проточной части или в случае отсутствия достоверной информациио их взаимовлиянии (например, при проектировании нового насоса «с нуля»)необходимо параметризовывать и рассчитывать всю проточную частьцеликом.3.3.Выбор критериев оптимизацииПосле проведения предварительного моделирования необходимовыбрать критерии оптимизации.
Косвенно критерии оптимизации выбраныуже на этапе формирования технического задания на проектирование того илииного насоса. Однако критерии должны быть математически формализованыдля автоматизации процесса оптимизации.83Такие критерии как КПД, нагрузки на элементы конструкции, напорнаяхарактеристикалегкоформализуются.Вычисляютсятакиекритерииследующим образом.Гидравлический КПД:ηгидрρgHQMгидр ωМомент необходимо вычислять на всех поверхностях рабочего колеса,кроме покрывных дисков.При выборе в качестве критерия оптимизации требуемого напораудобно использовать безразмерный коэффициент напора:K|HH |H,где H – напор по результатам моделирования;H – заданный напор при заданной подаче.Часто целью оптимизации может быть снижение нагрузок на элементыконструкции насоса. Тогда в качестве критерия можно принять усилие отраспределенных сил давления и касательных напряжений:RpdFτdFВ случае оптимизации кавитационных характеристик формализациякритерия представляет более сложную задачу.
Виной тому два обстоятельства:1.Расчет кавитационной характеристики насоса с определениемвторого критического режима и вычисления по результатам такого расчетакавитационного запаса представляет из себя довольно длительную процедурусо множеством трудностей. Для расчета одной модели необходимо провестиот 10 до 20 моделирований.842.Численное моделирование кавитации не только усложняетматематическую модель, нои результат расчета может содержатьсущественную погрешность.В рамках данной работы была расчётным и экспериментальным путемисследована возможность упрощения процесса оптимизации кавитационныххарактеристик насоса путем упрощения критерия оптимизации.
Былопредложено вести оптимизацию без расчета двухфазного течения.Для процедуры оптимизации предлагается использовать следующийкритерий:K кавpотр dF– интеграл по площади лопаток рабочего колеса от отрицательнодавления.При использовании данного критерия пропадает необходимость расчетадвухфазного течения, а также необходимость последовательных расчетов дляполучения частной кавитационной характеристики.Для подтверждения эффективности использования предлагаемогокритерия была проведена серия расчетных и экспериментальных работ посравнению результатов моделирования двухфазного и однофазного течений.При оптимизации насоса с осецентробежной ступенью было рассчитано128 моделей (метод оптимизации - ЛП-тау, алгоритм описан в последующихразделах) в стационарной постановке.
За критерии были выбраны КПД икоэффициент K кав . В качестве примера с полученного фронта Парето (Рисунок3.4) выбрано две модели (первая с наилучшим значением критерия K кав, вторая– с наилучшим значением КПД). Эти модели посчитаны в нестационарнойпостановке с использованием модели кавитации.1.КПД – 82%, K кав =-123;2.КПД – 86%, K кав =-327085Рисунок 3.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
