Ocena wydajności pompy za pomocą modelowania przepływu 1D

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.

Wykorzystanie wyników przepływu w celu zrozumienia zachowania hydraulicznego przy różnych prędkościach przepływu

Wyzwania

Projektowanie turbin hydraulicznych – takich jak pompy odśrodkowe, wentylatory lub turbiny wodne – wymaga zrównoważenia szerokiego zakresu zmiennych wejściowych. Projektanci muszą zdefiniować warunki pracy, takie jak natężenie przepływu, prędkość obrotowa, geometria wirnika, liczba łopatek i energia właściwa (lub wysokość podnoszenia), z których wszystkie są ze sobą powiązane i znacząco wpływają na wydajność. Ta złożona przestrzeń projektowa może być przytłaczająca, zwłaszcza gdy dąży się do optymalizacji wydajności hydraulicznej, zużycia energii lub momentu obrotowego, unikając jednocześnie kawitacji lub spadków wydajności w warunkach niezgodnych z projektem.

Nawet przy dobrze ustalonym celu, takim jak osiągnięcie określonej wysokości podnoszenia lub mocy, określenie, czy wybrana kombinacja parametrów projektowych jest optymalna, nie zawsze jest proste. Projektanci często polegają na doświadczeniu lub wzorach empirycznych, które choć przydatne, mogą nie oddawać pełnego obrazu sytuacji – zwłaszcza w przypadku nowych lub ograniczonych zastosowań. Ta niepewność może prowadzić do nieoptymalnych konfiguracji, które mają gorsze wyniki lub wymagają znacznego przeprojektowania.

Rozwiązania inżynieryjne

Projektowanie wydajnych maszyn turbinowych wymaga narzędzi, które są zarówno szybkie, jak i niezawodne, zwłaszcza na wczesnych etapach rozwoju. Vista TF (Throughflow), będąca częścią pakietu ANSYS Workbench, jest solverem strumieniowo-krzywiznowym zaprojektowanym do oceny promieniowych rzędów łopatek – takich jak te występujące w pompach odśrodkowych, sprężarkach promieniowych i turbinach – przy użyciu podejścia quasi-1D.

Chociaż nie oferuje pełnej szczegółowości 3D CFD, Throughflow umożliwia szybkie parametryczne badania geometrii wirników i punktów pracy. Jego uproszczone, ale oparte na fizyce modelowanie pozwala inżynierom szybko ocenić szeroki zakres konfiguracji – zapewniając natychmiastową informację zwrotną na temat krytycznych wskaźników wydajności, takich jak wysokość podnoszenia, moment obrotowy i sprawność (zarówno stopniowa, jak i izentropowa).

Aby sprostać wyzwaniom związanym z poruszaniem się po złożonych przestrzeniach projektowych, Throughflow oferuje skuteczny sposób oceny trendów wydajności w oparciu o obliczenia przepływu 1D. Zmieniając parametry, takie jak masowe natężenie przepływu lub geometria łopatek, projektanci mogą uzyskać wgląd w to, jak te dane wejściowe wpływają na zachowanie hydrauliczne. To sprawia, że Throughflow jest doskonałym narzędziem do wczesnego przesiewania i iteracyjnego udoskonalania, pomagając inżynierom skupić kosztowne wysiłki 3D CFD tylko na najbardziej obiecujących kandydatach.

Metody

Proces konfiguracji rozpoczyna się w środowisku ANSYS Workbench poprzez przeciągnięcie i upuszczenie modułu Vista CPD, który jest używany do podstawowego wymiarowania pomp odśrodkowych. W pierwszym kroku użytkownik podaje wymagany punkt projektowy, w tym dane wejściowe, takie jak natężenie przepływu, wysokość podnoszenia, prędkość obrotowa i właściwości płynu. Na podstawie tych warunków Vista CPD generuje wstępną geometrię wirnika i szacuje kluczowe parametry wydajności.

Unikalną cechą Vista CPD jest to, że generuje on krzywe wydajności w funkcji prędkość właściwa (Ωs) i stosunek średnicy właściwej (Q/N). Te niewymiarowe parametry uogólniają charakterystykę wydajności wirnika:

• Ωs (prędkość właściwa): Jest to bezwymiarowy parametr związany z natężeniem przepływu (Q), prędkością obrotową (w) i głowę (H). Jest ono powszechnie stosowane w projektowaniu pomp do klasyfikacji typu wirnika oraz przewidywania kształtu i wydajności kanałów przepływowych. W równaniu g jest przyspieszeniem grawitacyjnym.
  
• Q/N (współczynnik przepływu): Reprezentuje stosunek natężenia przepływu do prędkości obrotowej i w tym kontekście jest używany do tworzenia rodzin krzywych wydajności dla różnych reżimów przepływu. Tutaj N jest prędkością obrotową w obr/s, a D jest średnicą wirnika. W Vista CPD jest to przedstawione jako Q/N.
  

Dlatego Vista CPD oferuje teoretyczne mapy wydajności oparte na bezwymiarowych współczynnikach, takich jak współczynnik przepływu i prędkość właściwa. Chociaż mapy te są przydatne do ogólnych wskazówek, opierają się na trendach empirycznych i nie są powiązane z określoną geometrią. Aby dokładniej ocenić rzeczywistą konstrukcję wirnika, Throughflow zapewnia analizę quasi-1D opartą na rzeczywistej geometrii łopatek i warunkach wejściowych. Pozwala to na bardziej wiarygodną ocenę wskaźników wydajności – takich jak wysokość podnoszenia i sprawność – w całym zakresie natężeń przepływu.

Wyniki

W pierwszym etapie procesu, wstępne dane projektowe są definiowane w Vista CPD, jak pokazano na poniższym rysunku. Dane te obejmują warunki pracy – przede wszystkim masowe natężenie przepływu – a także główne cechy geometryczne wirnika. Kluczowe parametry obejmują kontury piasty i osłony, kształt i położenie krawędzi natarcia i spływu, liczbę łopatek i inne wymiary krytyczne dla projektu bazowego wirnika. Ta konfiguracja definiuje pojedynczy punkt projektowy, który jest następnie wykorzystywany jako geometria początkowa do późniejszej oceny wydajności.

Następnie projekt jest przenoszony do nowego modułu Throughflow, gdzie solver działa automatycznie i kończy pracę w ciągu kilku minut. Po zakończeniu obliczeń użytkownik może uzyskać dostęp do komórki wyników w celu wizualizacji kluczowych wyników wydajności. Na tym etapie dostępne stają się wykresy konturowe, zapewniające wgląd w zachowanie przepływu przez kanały wirnika, a także zmienne, takie jak prędkość, ciśnienie i obciążenie łopatek.

Należy zauważyć, że kontur ciśnienia sugeruje stopniowy rozkład, z wyjątkiem podświetlonego regionu. Co więcej, prędkość południkowa (Cm) wykazuje znaczny wzrost w pobliżu krawędzi natarcia, szczególnie w pobliżu piasty. Sugeruje to, że geometria wlotu lub prędkość obrotowa mogą powodować przedwczesne kurczenie się i przyspieszanie przepływu. Taki wzór wskazuje na nierównomierny rozkład napływającego przepływu.

Chociaż takie zachowanie niekoniecznie jest problematyczne, podkreśla ono krytyczny obszar wirnika, w którym nierównowaga przepływu może ostatecznie prowadzić do nieefektywności lub separacji przepływu w pełnej symulacji 3D. Zidentyfikowanie tego obszaru na wczesnym etapie za pomocą Throughflow zapewnia cenny wgląd w celu udoskonalenia geometrii wlotu i kierowania dalszą analizą parametryczną. W związku z tym możemy również przeprowadzić analizę parametryczną przy użyciu masowego natężenia przepływu jako parametru wejściowego i różnych sprawności jako parametrów wylotowych.

• etap ss. Sprawność politropowa stopnia (statyczna-statyczna). Wykorzystuje ciśnienia statyczne i entalpie na wlocie i wylocie do oceny sprawności termodynamicznej stopnia.
• etap ts. Etapowa sprawność politropowa (całkowita-statyczna). Uwzględnia całkowite ciśnienie na wlocie i ciśnienie statyczne na wylocie; przydatne, gdy energia kinetyczna wlotu jest znacząca.
• etap tt. Etapowa sprawność politropowa (całkowita-ogólna). Ocenia wydajność przy użyciu całkowitych ciśnień na wlocie i wylocie, wychwytując efekty energii kinetycznej i potencjalnej.
• etas ss. Etapowa sprawność izentropowa (statyczna-statyczna). Porównuje rzeczywistą zmianę entalpii z idealną zmianą izentropową w warunkach statycznych.
• etas ts. Etapowa sprawność izentropowa (całkowita-statyczna). Wykorzystuje warunki całkowite na wlocie i statyczne na wylocie; nadaje się do szacowania rzeczywistych strat w praktycznych systemach.
• etas tt. Etapowa sprawność izentropowa (całkowita-ogólna). Mierzy ogólną wydajność przy założeniu idealnego procesu izentropowego między całkowitymi stanami wlotu i wylotu.

Obejrzyj pełną instrukcję wideo, aby zobaczyć, jak skonfigurować model i sprawdzić wyniki, aby przyspieszyć projektowanie pomp na wczesnym etapie i ujawnić kluczowe trendy wydajności.

Korzyści z rozwiązania Ansys

Modelowanie CFD demonstruje swój potencjał w optymalizacji i ocenie struktur hydraulicznych dzięki zaawansowanym rozwiązaniom Ansys. Do wstępnego przetwarzania, Ansys SpaceClaim i Discovery Modeling ułatwiają tworzenie i przygotowanie CAD, podczas gdy Ansys Fluent i CFX radzą sobie z różnymi wyzwaniami symulacyjnymi. Zaawansowane narzędzia do postprocessingu, takie jak Ansys Ensight, skutecznie analizują i wizualizują duże zbiory danych.

Dodatkowo wyniki CFD można zintegrować z analizami strukturalnymi w scenariuszach interakcji płyn-struktura (FSI), obsługiwanych przez Ansys Mechanical i LS-Dyna. Techniki takie jak projektowanie eksperymentów (DOE) i zaawansowana optymalizacja są ułatwione dzięki DesignXplorer i Ansys OptiSlang w ramach platformy Workbench. Ansys zapewnia również licencje HPC i możliwości GPU do równoległego przetwarzania złożonych modeli, zapewniając dokładną ocenę.

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.