Avaliação da eficiência da bomba com modelagem de fluxo de passagem 1D

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Aproveitamento dos resultados do fluxo de passagem para entender o comportamento hidráulico em taxas de fluxo variáveis

Desafios

O projeto de turbomáquinas hidráulicas – como bombas centrífugas, ventiladores ou turbinas hidráulicas – envolve o equilíbrio de uma ampla gama de variáveis de entrada. Os projetistas precisam definir as condições operacionais, como vazão, velocidade de rotação, geometria do rotor, número de palhetas e energia específica (ou altura manométrica), todas elas interconectadas e que afetam significativamente o desempenho. Esse complexo espaço de projeto pode ser esmagador, especialmente quando se busca otimizar a eficiência hidráulica, o consumo de energia ou o torque e, ao mesmo tempo, evitar a cavitação ou a queda de desempenho em condições fora do projeto.

Mesmo com uma meta bem estabelecida, como atingir uma determinada altura manométrica ou potência, nem sempre é fácil determinar se a combinação selecionada de parâmetros de projeto é a ideal. Os projetistas geralmente se baseiam na experiência ou em fórmulas empíricas que, embora úteis, podem não capturar o quadro completo, especialmente para aplicações novas ou restritas. Essa incerteza pode levar a configurações abaixo do ideal que apresentam desempenho inferior ou exigem um redesenho extenso.

Soluções de engenharia

O projeto de turbomáquinas eficientes requer ferramentas que sejam rápidas e confiáveis, especialmente nos estágios iniciais de desenvolvimento. O Vista TF (Throughflow), parte do conjunto ANSYS Workbench, é um solucionador de curvatura de linha de fluxo projetado para avaliar fileiras de pás radiais – como as encontradas em bombas centrífugas, compressores radiais e turbinas – usando uma abordagem quase em 1D.

Embora não ofereça todos os detalhes do CFD 3D, o Throughflow permite estudos paramétricos rápidos de geometrias de impulsores e pontos de operação. Sua modelagem simplificada, porém fisicamente informada, permite que os engenheiros avaliem rapidamente uma ampla gama de configurações, fornecendo feedback imediato sobre indicadores críticos de desempenho, como altura manométrica, torque e eficiência (tanto de estágio quanto isentrópica).

Para enfrentar os desafios de navegar em espaços de projeto complexos, o Throughflow oferece uma maneira eficiente de avaliar as tendências de desempenho com base em cálculos de fluxo 1D. Ao variar parâmetros como a taxa de fluxo de massa ou a geometria da pá, os projetistas podem ter uma visão de como esses dados afetam o comportamento hidráulico. Isso torna o Throughflow uma excelente ferramenta para triagem em estágio inicial e refinamento iterativo, ajudando os engenheiros a concentrar os dispendiosos esforços de CFD 3D apenas nos candidatos mais promissores.

Métodos

O processo de configuração começa no ambiente do ANSYS Workbench arrastando e soltando o módulo Vista CPD, que é usado para o dimensionamento básico de bombas centrífugas. Na primeira etapa, o usuário fornece o ponto de projeto necessário, incluindo dados como vazão, altura manométrica, velocidade de rotação e propriedades do fluido. Com base nessas condições, o Vista CPD gera uma geometria preliminar do rotor e estima os principais parâmetros de desempenho.

Um recurso exclusivo do Vista CPD é que ele produz curvas de eficiência como uma função do velocidade específica (Ωs) e a razão de diâmetro específico (Q/N). Esses parâmetros não dimensionais generalizam as características de desempenho do impulsor:

• Ωs (velocidade específica): Esse é um parâmetro sem dimensão relacionado à taxa de fluxo (Q), à velocidade de rotação (w), e cabeça (H). É comumente usada no projeto de bombas para classificar o tipo de impulsor e prever a forma e o desempenho das passagens de fluxo. Na equação, g é a aceleração da gravidade.
  
• Q/N (Coeficiente de fluxo): Representa a relação entre a taxa de fluxo e a velocidade de rotação e, nesse contexto, é usado para criar famílias de curvas de desempenho para diferentes regimes de fluxo. Aqui, N é a velocidade de rotação em rev/s e D é o diâmetro do impulsor. No Vista CPD, isso é mostrado como Q/N.
  

Portanto, o Vista CPD oferece mapas de eficiência teórica com base em coeficientes sem dimensão, como o coeficiente de fluxo e a velocidade específica. Embora úteis para orientação geral, esses mapas se baseiam em tendências empíricas e não estão vinculados a uma geometria específica. Para avaliar o projeto real de um impulsor com mais precisão, o Throughflow fornece uma análise quase 1D com base na geometria real da pá e nas condições de entrada. Isso permite uma avaliação mais confiável das métricas de desempenho – como altura manométrica e eficiência – em uma faixa de vazões.

Resultados

Na primeira etapa do processo, as entradas iniciais do projeto são definidas no Vista CPD, conforme mostrado na figura abaixo. Esses dados incluem as condições operacionais – principalmente a taxa de fluxo de massa – bem como as principais características geométricas do impulsor. Os principais parâmetros envolvem os contornos do cubo e da cobertura, a forma e o posicionamento das bordas de ataque e de fuga, o número de pás e outras dimensões essenciais para o projeto básico do impulsor. Essa configuração define um único ponto de projeto, que é usado como a geometria inicial para a avaliação de desempenho subsequente.

Em seguida, o projeto é transferido para um novo módulo Throughflow, onde o solucionador é executado automaticamente e concluído em poucos minutos. Após a conclusão do cálculo, o usuário pode acessar a célula de resultados para visualizar os principais resultados de desempenho. Nesse estágio, os gráficos de contorno ficam disponíveis, fornecendo informações sobre o comportamento do fluxo através dos canais do impulsor, bem como variáveis como velocidade, pressão e carga da pá.

Observe que o contorno da pressão sugere uma distribuição gradual, exceto na região destacada. Além disso, a velocidade meridional (Cm) mostra um aumento significativo próximo à borda de ataque, especialmente perto do cubo. Isso sugere que a geometria da entrada ou a velocidade de rotação pode estar fazendo com que o fluxo se contraia e acelere prematuramente. Esse padrão indica uma distribuição não uniforme do fluxo de entrada.

Embora esse comportamento não seja necessariamente problemático, ele destaca uma região crítica do impulsor em que o desequilíbrio do fluxo poderia eventualmente levar a ineficiências ou à separação do fluxo em uma simulação 3D completa. Identificar isso logo no início usando o Throughflow fornece informações valiosas para refinar a geometria da entrada e orientar outras análises paramétricas. Portanto, também podemos realizar uma análise paramétrica usando a taxa de fluxo de massa como parâmetro de entrada e diferentes eficiências como parâmetros de saída.

• etap ss. Eficiência politrópica do estágio (estático-estático). Usa pressões estáticas e entalpias na entrada e na saída para avaliar a eficiência termodinâmica do estágio.
• etap ts. Eficiência politrópica de estágio (total-estática). Considera a pressão total na entrada e a pressão estática na saída; útil quando a energia cinética da entrada é significativa.
• etap tt. Eficiência politrópica de estágio (total-total). Avalia a eficiência usando as pressões totais na entrada e na saída, capturando os efeitos da energia cinética e potencial.
• etas ss. Eficiência isentrópica de estágio (estático-estático). Compara a mudança real de entalpia com a mudança isentrópica ideal usando condições estáticas.
• etas ts. Eficiência isentrópica de estágio (total-estática). Usa condições totais na entrada e estáticas na saída; adequado para estimar perdas reais em sistemas práticos.
• etas tt. Eficiência isentrópica de estágio (total-total). Mede o desempenho geral assumindo um processo isentrópico ideal entre os estados de entrada e saída totais.

Assista ao vídeo completo para ver como configurar o modelo e verificar os resultados para acelerar o projeto da bomba em estágio inicial e revelar as principais tendências de desempenho.

Benefícios da solução Ansys

A modelagem CFD demonstra seu potencial para otimizar e avaliar estruturas hidráulicas por meio das soluções avançadas da Ansys. Para o pré-processamento, o Ansys SpaceClaim e o Discovery Modeling facilitam a criação e a preparação do CAD, enquanto o Ansys Fluent e o CFX enfrentam vários desafios de simulação. Ferramentas de pós-processamento de alta fidelidade, como o Ansys Ensight, analisam e visualizam com eficácia grandes conjuntos de dados.

Além disso, os resultados de CFD podem ser integrados a análises estruturais em cenários de Interação Fluido-Estrutura (FSI), com o suporte do Ansys Mechanical e do LS-Dyna. Técnicas como o Design de Experimentos (DOE) e a otimização avançada são facilitadas pelo DesignXplorer e pelo Ansys OptiSlang dentro da plataforma Workbench. A Ansys também oferece licenças de HPC e recursos de GPU para processamento paralelo de modelos complexos, garantindo avaliações completas.

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