Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы по проблемам идентификации и расчета колебательных процессов в свободных объемах центробежных насосов и соединительных каналах 14
1.1 Проблема возникновения колебательных процессов в двухступенчатых центробежных насосах 14
1.2 Отечественные исследования колебательных процессов в центробежных насосах 15
1.3 Исследования колебательных процессов в центробежных насосах зарубежных авторов 30
1.4 Особенности гидродинамики двухступенчатых центробежных насосов 34
1.5 Численное моделирование пульсаций давлений 35
1.6 Обзор программных комплексов инженерного анализа гидродинамических процессов 40
Выводы по главе 1 50
ГЛАВА 2. Подготовка вычислительного эксперимента по расчету колебательных процессов в двухступенчатом центробежном насосе, с учетом совместной работы первой и второй ступеней 51
2.1 Разработка физической модели 51
2.2 Разработка математической модели 55
2.3 Выбор метода решения 60
2.4 Разработка и описание твердотельных и сеточных моделей
2.5 Разработкам описание граничных условий 64
2.6 Обеспечение сходимости и устойчивости счета 67
Выводы по главе 2 71
ГЛАВА 3. Численное моделирование колебательных процессов в двухступенчатом центробежном насосе, с учетом совместной работы первой и второй ступеней 72
3.1 План проведения вычислительных экспериментов 72
3.2 Влияние конструктивного оформления входа в соединительный канал и параметров потока на колебательные процессы свободном объеме первой ступени двухступенчатого центробежного насоса 76
3.3 Описание кинограммы колебательных процессов в двухступенчатом центробежном насосе 85
3.4 Влияние угла установки колес на колебательные процессы в двухступенчатом центробежном насосе 86
3.5 Влияние отношения расходов на колебательные процессы в двухступенчатом центробежном насосе 97
3.6 Влияние длины соединительного канала на колебательные процессы в двухступенчатом центробежном насосе 101
3.7 Влияние скорости вращения на колебательные процессы в двухступенчатом центробежном насосе 105
Выводы по главе 3 109
ГЛАВА 4. Разработка инженерной методики по оценке колебательных процессов в двухступенчатом центробежном насосе, с учетом совместной работы первой и второй ступеней. сравнение с численными решениями и результатами физических экспериментов 110
4.1 Сравнение результатов вычислительных экспериментов в ANSYSCFXK Flow VisionНРС ПО
4.2 Сравнение результатов вычислительных и физических экспериментов 113
4.3 Сравнительный анализ результатов вычислительных экспериментов по Моделям 2 и 3 117
4.4 Разработка инженерных методик по оценке колебательных процессов в двухступенчатом центробежном насосе, с учетом совместной работы первой и второй ступеней 121
4.4.1 Разработка инженерной методики проведения вычислительных экспериментов по оценке колебательных процессов в двухступенчатом центробежном насосе, с учетом совместной работы первой и второй ступеней 121
4.4.2 Разработка инженерной методики по проведению оперативной оценки амплитуды колебательных процессов в соединительных каналах на базе программ для ЭВМ «Фаза-1» и «Фаза-2» 129
4.5 Рекомендации по снижению пульсаций давления в свободных объемах двухступенчатого центробежного насоса 134
Выводы по главе 4 136
Заключение 137
Список литературы
- Исследования колебательных процессов в центробежных насосах зарубежных авторов
- Разработка и описание твердотельных и сеточных моделей
- Влияние конструктивного оформления входа в соединительный канал и параметров потока на колебательные процессы свободном объеме первой ступени двухступенчатого центробежного насоса
- Сравнительный анализ результатов вычислительных экспериментов по Моделям 2 и 3
Введение к работе
Актуальность проблемы. Двухступенчатые центробежные насосы широко применяются в технике, в частности, в системах питания топливом космических летательных аппаратах, в системах отопления и горячего водоснабжения, в пищевой, химической промышленности, при перекачке нефти и нефтепродуктов и др.
Одной из основных тенденций при проектировании двухступенчатых центробежных насосов является снижение относительной массы. Особенно ярко эта тенденция наблюдается при создании ТНА ЖРД, где предъявляются жесткие требования к снижению массы при одновременном увеличении напорных характеристик. Это позволяет добиться увеличения массы выводимой полезной нагрузки (стоимость 1 кг около 600000 руб.) или высоты орбиты полета. Это достигается повышением нагрузки в рабочем тракте и снижением массы, а, следовательно, жесткости конструкции. А это, в свою очередь, может приводить к усилению динамических эффектов, в частности, к пульсациям давления. Колебательные процессы в рабочей жидкости могут сопровождаться кавитацией, пульсациями рабочих характеристик и приводить к разрушению конструкции.
С проблемой возникновения непрогнозируемых эффектов, связанных с падением напора на второй ступени двухступенчатого центробежного насоса ТНА неоднократно сталкивались при наземной отработке на воде двухступенчатых центробежных насосов системы питания. Проблема решалась в процессе экспериментальных доводочных работ и усугублялась жесткими ограничениями на число проливок и высокими рисками выхода из строя комплекта ракетного двигателя стоимостью около 600 млн. руб.
Перспективным путем решения этой проблемы является разработка и создание комплекса методик по расчету колебательных процессов в свободном объеме первой, второй ступеней и в соединительном канале двухступенчатого центробежного насоса.
Гидродинамические колебательные процессы в проточной части центробежных насосов являются предметом исследований многих отечественных и зарубежных ученых. В этой области известны работы:
Алпатова А.В. , Башта Г.М., Бобкова А.В., Боровского Б.И., Боровика В.А., Гимадиев А.Г., Грянко Л.П., Гулиенко А.И., Ершова Н.С., Зимницкого В.А., Иванюшина В.А., Краева М.В., Касьянова В.М., Овсянникова Б.В., Перевощикова СИ., Пилипенко В.В., Повха И.Л., Рахмилевича 3.3., Руднева С.С, Тимушева С.Ф., Спиридонова Е.К., Чебаевского В.Ф., Черкасского В.М., Шапиро А.С, Шерстянникова В.A., Casey М., Dalbert P., Roth P., Chriss R., Eckardt D., Hah С., Hathaway M., Hergt P., Ismaier A., Schlilcker E., Ishida M., Senoo Y., UekiH., IshidaM., KangS., Hirsch C., Mani, G, Wolfe, D., Zhao, X, Yang M., Zhang N., Li Z., Gao В., Zhifeng Y., Fujun W., Lixia Q, а также многих других исследователей. Вместе с тем, необходимо отметить недостаточность надежных методик по прогнозированию динамических эффектов в трактах двухступенчатых центробежных насосов при совместной работе ступеней. Это, в свою очередь, указывает на неясность и сложность причин и механизмов их возникновения.
В связи с вышесказанным, весьма актуальным представляется выявление причин возникновения непрогнозируемых режимов работы насосов.
Целью исследования является исследование возможных причин возникновения непрогнозируемых режимов в двухступенчатых центробежных насосах.
В соответствии с поставленной целью потребовалось решить следующие задачи:
1. Провести анализ нестационарного течения в двухступенчатом
центробежном насосе, с учетом совместной работы первой и второй ступеней.
2. Выделить значимые факторы, влияющие на колебательные процессы в
двухступенчатом центробежном насосе.
3. Разработать физическую и математическую модели
гидродинамических колебательных процессов в свободном объеме
высокооборотного двухступенчатого центробежного насоса, с учетом
совместной работы различных лопастных колес размещенных на одном валу и
с промежуточным отбором жидкости.
4. Выявить зависимости параметров колебательных процессов от длины
канала, отношения площадей выходных сечений, угла установки колес друг
относительно друга, скорости вращения и конструктивного оформления входа в соединительный канал.
5. Провести верификацию результатов вычислительных экспериментов.
-
Разработать инженерные методики по расчету параметров колебательных процессов.
-
Разработать рекомендации по снижению уровня колебательных процессов в свободных объемах двухступенчатого центробежного насоса.
Объектом исследования является свободный объем двухступенчатого центробежного насоса.
Предметом исследования являются колебательные процессы в свободном объеме двухступенчатого центробежного насоса и способы их снижения.
Методы исследований. Моделирование колебательных процессов в двухступенчатых центробежных насосах проводилось с помощью численных трехмерных гидродинамических моделей. Работа выполнена с использованием численного метода конечных объемов. Расчеты проводились с использованием систем инженерного анализа ANSYS CFX и Flow Vision НРС.
Научная новизна диссертационной работы.
Разработаны физические и математические модели высокооборотного двухступенчатого центробежного насоса с промежуточным отбором жидкости, с учетом совместной работы различных лопастных колес, размещенных на одном валу;
Предложена новая расчетная модель двухступенчатых центробежных насосов учитывающая взаимовлияние элементов колебательной системы "вход - свободный объем насоса первой ступени - крыльчатка первой ступени -соединительный канал - крыльчатка второй ступени - свободный объем насоса второй ступени - выход»;
- Впервые в ходе вычислительного моделирования исследовано
взаимовлияние первой и второй ступеней при работе насоса, это позволило
обнаружить:
1) резонансные усиления колебаний давления в районе первой ступени в 1,5 раза, а в районе второй ступени в 7,5 раз при переходе от ф=0, к ф=л;
6 2) ослабление амплитуды колебаний давления в 2 раза при движении
жидкости в сторону второй ступени при угле сдвига фаз ф = 0 ;
Предложен способ повышения напора высокооборотного двухступенчатого центробежного насоса с промежуточным отбором жидкости, с различными лопастными колесами, размещенными на одном валу при минимальном повышении динамических нагрузок в соединительном канале;
- Получены новые результаты сравнительного анализа разработанных
численных моделей двухступенчатых центробежных насосов с различной
степенью детализации проточной части, которые позволили обосновать
снижение трудоемкости построения твердотельных моделей в 3-4 раза, а время
расчета в 2 раза.
На защиту выносятся.
1. Граничные условия, описывающие воздействие лопаток крыльчатки
двухступенчатого центробежного насоса на гидродинамический поток,
позволяющие осуществить переход к решению в неподвижной системе
координат;
2. Расчетная модель двухступенчатых центробежных насосов
учитывающая взаимовлияние элементов колебательной системы "вход -
свободный объем насоса первой ступени - крыльчатка первой ступени -
соединительный канал - крыльчатка второй ступени - свободный объем насоса
второй ступени - выход»;
3. Зависимости амплитуд колебаний давления от длины канала,
отношения площадей выходных сечений, угла установки колес друг
относительно друга, скорости вращения и конструктивного оформления входа в
соединительный канал
4. Инженерные методики по оценке параметров колебательных процессов
в двухступенчатых центробежных насосах, с учетом взаимовлияния ступеней;
5. Новый механизм усиления колебаний в гидродинамическом тракте
двухступенчатого центробежного насоса.
Практическая ценность.
- Разработанные модели позволят на этапе проектирования проводить
оценку параметров колебательных процессов в свободном объеме первой,
второй ступеней и в соединительном канале при изменении скорости вращения и положения крыльчаток первой и второй ступеней друг относительно друга.
- Разработаны и реализованы рекомендации по снижению пульсаций
давления в свободных объемах и соединительном канале двухступенчатого
центробежного насоса.
Разработаны инженерные методики по оценке параметров колебательных процессов в двухступенчатых центробежных насосах, с учетом взаимовлияния ступеней;
- Разработаны и внедрены программы для ЭВМ "Фаза-1", "Фаза-2",
позволяющие производить анализ колебательных процессов в свободном
объеме первой, второй ступеней и в соединительном канале в зависимости от
положения крыльчатки первой ступени относительно второй.
Результаты диссертационной работы внедрены на промышленных предприятиях ОАО "Протон-ПМ" (г. Пермь), ОАО НПО «Искра» (г.Пермь) и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет». Практическая ценность работы подтверждена актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» (ПГТУ, г.Пермь, 2009 г.г.); Академические чтения по космонавтике «Актуальные проблемы российской космонавтики (МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, 2009 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Фундаментальные основы баллистического проектирования - 2012» (БГТУ «Военмех», г. Санкт-Петербург, 2012 г.); Научно-техническая конференция молодых специалистов (ОАО «НПО «Искра», г. Пермь, 2012 г.). Всероссийская молодежная научная конференция «Инновации в авиации и космонавтике-2013» (УГАТУ, г. Уфа, 2013 г.); 8-я Международная конференция «Авиация и космонавтика-2013» (МАИ, г. Москва, 2013 г.) и др.
Связь исследований с научными программами. Исследования выполнялись в рамках договора 13.G25.31.0009 между ОАО «Протон-ПМ» и Минобрнауки РФ от 07.09.2010 об условиях предоставления и использования
субсидии на реализацию комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы: 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК; 15 тезисов докладов; получено 2 свидетельства Роспатента о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012661015 от 05.12.2012 г. "Фаза-1" и № 2013615919 от 24.07.2013 г. "Фаза-2".
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 143 наименований, приложения. Общий объём диссертации 156 страниц, 87 рисунков и 12 таблиц.
Исследования колебательных процессов в центробежных насосах зарубежных авторов
Анализ конструктивных особенностей показал, что при работе ДЦ насоса происходит следующее: - колеса первой и второй ступеней насоса закреплены на одном и том же валу и вращаются с одинаковыми скоростями; - количество лопаток на колесах первой и второй ступеней одинаково; - количество посадочных шлицов колеса первой ступени не равно и не кратно количеству лопаток, что позволяет закреплять его в нескольких, отличающихся по углу установки относительно вала положениях; - способ закрепления колеса второй ступени обеспечивает один и тот же угол установки относительно вала;
Следовательно, при сборке возможны несколько вариантов взаимного расположения входных кромок лопаток колес первой и второй ступеней. В этом случае возможна реализация различных процессов в перепускном канале, так как подача жидкости из свободного объема насоса первой ступени в соединительный канал и втягивание жидкости в свободный объем насоса второй ступени могут быть несинхронизированы.
Анализ так же показал, что для расчета колебательных процессов в двухступенчатом центробежном насосе необходимо учесть три характерных объема- "свободный объем насоса первой ступени - соединительный канал -свободный объем насоса второй ступени". Кроме того, необходимо корректное описание условий нагружения гидродинамического потока со стороны крыльчаток первой и второй ступеней насоса. Выдвинута гипотеза, что воздействие лопаток на поток в насосе можно, в первом приближении описать синусоидальной функцией расхода жидкости. Для обоснования этой гипотезы рассмотрена Модель 1 [52] (рисунок 2.1)
Для Модели 2 свободный объем первой ступени имеет один вход и два выхода. Первый выход - в соединительный канал и по рисунку 2.2 направлен вправо. Второй выход имеет большее сечение и по рисунку 2.2 направлен вверх. Этот выход имеет также круговое сечение. Свободный объем второй ступени имеет один вход-1 (по рисунку 2.1 а - слева) и один выход-3 (по рисунку 2.1а- справа) с круговыми поперечными сечениями. Кроме того, предложена Модель 3 [50] (рисунок 2.3), которая не учитывает геометрические особенности подвода и отвода жидкости в свободные объемы первой и второй ступени и соединительный канал, но учитывает характерные объемы ступеней и габариты соединительного канала. Обе модели Модель 2 и 3 предполагают использование неподвижной сетки. В Моделях 2 и 3 подвижные колеса заменяются пульсирующим подводом и отводом воды на соответствующих границах расчетной области.
Для Модели 3 [49] объем 1 соответствует объему первой ступени, объем 2 соответствует соединительному каналу с учетом его значимых геометрических особенностей (длина и объем). Модельный соединительный канал имеет круговое поперечное сечение. Объем 3 соответствует второй ступени. Свободный объем 1 первой ступени имеет один вход и два выхода. Первый выход - в соединительный канал и по рисунку 2.3 направлен вправо. Второй выход на рисунке 2.3 б имеет большее сечение направлен вверх. Этот выход имеет также круговое сечение. Свободный объем второй ступени 3 имеет один вход с круговым поперечным сечением (по рисунку 2.3 слева) и один выход с кольцевым поперечным сечением (по рисунку 2.3).
Для Модели 1 [50] Свободный объем первой ступени имеет два входа и два выхода. На боковых поверхностях модели расположены элементы осевого двустороннего входа 1 (рисунок 2.3). Первый выход 2 - выход из соединительного канала (рисунок 2.3). Второй выход 3 имеет большее сечение (рисунок 2.3). Крыльчатка - 4 (рисунок 2.3). Геометрическая модель построена с учетом тангенциального расположения выходов первой ступени. Учитывалось геометрическое расширение каналов.
Анализ, условий работы двухступенчатого центробежного насоса, результатов проведенных другими авторами физических экспериментов и учет конструктивных и технологических особенностей данного насоса позволили сформулировать физическую и математическую модели нестационарных гидродинамических процессов в нем. При этом учитывались принятые в натурном эксперименте геометрические размеры насоса системы питания жидкостного ракетного двигателя, именно: рабочие объемы первой и второй, объем соединительного канала, геометрические характеристики крыльчаток первой и второй ступени. Так же учитывались режимы подачи рабочей жидкости, возможность реализации турбулентного характера течения в рабочих объемах первой и второй ступеней, в объеме соединительного канала, влияние окружающей среды.
Для расчета гидродинамических характеристик в соединительном канале с прилегающими свободными объемами была принята следующая физическая модель: 1. Процессы рассматриваются в трехмерной динамической постановке. 2. Поток жидкости рассматривается однофазным. 3. Рабочее вещество представляет собой вязкую сжимаемую жидкость. 4. Принята стандартная к-е модель турбулентности. 5. Стенки конструкции не проницаемые. 6. Стенки конструкции не поглощают и не выделяют тепло (продолжительность работы насоса в вычислительном эксперименте намного меньше, чем время прогрева стенки). 7. Шероховатость стенок не учитывается. 8. Стенки конструкции не деформируются. 9. Расчеты проводились без учета гравитации, так как предварительные вычислительные эксперименты показали, что результаты с учетом и без учета близки. 10. Подача жидкости в соединительный канал изменяется по синусоидальному закону. 11. Расход жидкости в выходном сечении изменяется по синусоидальному закону.
Выбор модели турбулентности зависит от характера турбулентного потока, требуемой точности, доступных вычислительных ресурсов, и временных затрат, необходимых на процесс моделирования [6]. Были рассмотрены следующие модели турбулентности «Spalarat-Almaras», к-є, к-є (модель RNG), к-є (модель Realizable), к-со, к-со (модель SST), модель «RMS»[112].
Выбрана стандартная к-є [5-7] модель для расчета нестационарных гидродинамических процессов [112] в свободных объемах центробежного насоса системы питания жидкостного ракетного двигателя, ввиду ее устойчивости и разумной точности вычислений. Данная модель является высокорейнольдцсовой и сверхдиффузионной [112]. Ввиду того, что геометрия расчетной области имеет достаточно большие габариты, то целесообразно использовать стандартную к-є модель турбулентности, которая требует меньшие вычислительные ресурсы по сравнению с более новыми моделями.
Разработка и описание твердотельных и сеточных моделей
Для расчетного варианта 4 предусмотрена возможность визуализации полей распределения полного давления и модуля скорости, а также построение кинограмм полного давления и модуля скорости (Р, V).
Угол сдвига фаз задавался равным 0, я/2, я, Зя/2, для вариантов 1 - 4 и я для вариантов 5-8; для вариантов 1-6; площадь выхода Si принималась 0,0524 м2 для вариантов 1 - 4, 7,8, 0,3215 м2 для варианта 5, 1,5072 м2 для варианта 6 (таблица 3.3).
Для регистрации зависимостей пульсаций давлений от времени, в расчетную модель были введены контрольные точки - математические датчики. На рисунке 3.1 приводиться схема расположения математического «датчика давления» Модель 1. «Датчик» располагается в центре поперечного сечения на входе в соединительный канал. Рисунок 3.1- Схема расположения датчика Модель 1
Для контроля пульсаций давления в свободных объемах Модели 2 в расчетную область так же были помещены математические «датчики» давления. Все «датчики» располагаются на оси симметрии модели. Первый «датчик» располагается на входе в соединительный канал, второй, третий, четвертый, пятый - в соединительном канале, шестой- на выходе из соединительного канала (рисунок 3.2).
На рисунке 3.3 изображена схема расположения математических «датчиков давления» Модель 3. Все «датчики» располагаются на оси симметрии модели. Первый «датчик» располагается во входном сечении, второй - в центре полости улитки первой ступени, третий - на входе в соединительный канал, четвертый, пятый, шестой - в соединительном канале и делят его на четыре равных части, седьмой - на выходе из соединительного канала, восьмой - в центре полости улитки второй ступени, девятый - в выходном сечении модельной конструкции.
Влияние конструктивного оформления входя в соединительный канал и параметров потока на колебательные процессы в свободном объеме первой ступени двухступенчатого центробежного насоса Цель исследования в рамках данного раздела заключается в изучении влияния конструктивных параметров на характеристики потока жидкости в каналах и разработке рекомендаций по уменьшению интенсивности непрогнозируемых колебательных режимов двухступенчатых центробежных насосов.
Проведены численные эксперименты по моделированию потока на входе в соединительный канал (Модель 1) с учетом вращения крыльчатки первой ступени центробежного насоса. Учитывается работа крыльчатки первой ступени при заданной скорости вращения. Рассматриваются два варианта конструкции: базовый и модефецированный. Для проведения численных экспериментов были построены две геометрические модели: базовая и модефецированный. 1. Базовая модель показана на рисунке 3.4, а. 2. Вторая модель модифицированная, имеет конструктивную доработку (рисунок 3.4, б), которая представляет собой скругление входного тракта перед соединительным каналом. Для гидродинамического расчета модельной задачи вращательное движение лопаток первой ступени с заданной частотой было реализовано через вращение «твердого» тела крыльчатки первой ступени. Для проведения численного эксперимента были заданы следующие граничные условия: - движение крыльчатки насоса задавалось через постоянную скорость вращения п = 8500 об./мин. - для граничного условия входа в первую ступень задавалось постоянное давление 0,05; 0,3 и 0,5 МПа, согласно плана вычислительных экспериментов. - для граничного условия выхода из первой ступени задавалось граничное условие «свободный выход». Рисунок 3.4 - Геометрическая модель: а - базовая; б - модифицированная В ходе вычислительных экспериментов получены зависимости давления от времени, при различных давлениях на входе(0,05; 0,3,0,5 МПа.) с доработкой (рисунок 3.5 а, б, в) и без доработки доработкой (рисунок 3.6 а, б, в). #
График зависимости полного давления от времени (конструкция с доработкой) Рвх: а - Рвх= 0,05 МПа; б- Р„= 0,3 МПа; в - Рвх= 0,5 МПа В таблице 3.4 приводится зависимость амплитуд и частот колебаний от конструкции и давления на входе. Видно, что с увеличением давления на входе частота модулирующего сигнала повышается примерно на 70 Гц. Доработка конструкции приводит к снижению частоты примерно на 70Гц. При этом номинальное значение давления в конструкции с доработкой снижается на 0,3...0,5 МПа
В ходе вычислительных экспериментов получены распределения давления по поперечному выходному сечению соединительного канала с указанием соответствия "давление — площадь, на которую оно действует" (рисунок 3.7 а, б). Для варианта с доработкой обнаружено, что область низких давлений при Рвх = 0,05 МПа, меньше в среднем на 10 %, чем в варианте без доработки. В тоже время максимальные значения полных давлений для варианта с доработкой меньше на 0,2 МПа.
Влияние конструктивного оформления входа в соединительный канал и параметров потока на колебательные процессы свободном объеме первой ступени двухступенчатого центробежного насоса
Анализ графиков зависимости АР от іУтз при различных ф показал, что амплитуда колебаний давления для Модели 1 зависит от положения датчика в соединительном канале а именно увеличивается при движении жидкости в сторону второй ступени при ф = 90, 180, 270 , и, соответственно, ослабляется при движении жидкости в сторону второй ступени при ф = 0 . Для анализа зависимости амплитуды колебания давления в различных контрольных точках от угла сдвига фаз рассмотрим (рисунок 3.20). О 90 180 270Ч Рисунок 3.20 - График зависимости АР от ф при различных Мз
Проанализируем график зависимости амплитуды колебания давления в зависимости от угла сдвига фазы при различных ІУтз: 1) Амплитуда колебаний давления усиливается в 1,5 раза при изменении угла сдвига фаз ф от 0 до 180 в контрольных точках 1, 2, 3. 2) Амплитуда колебаний давления усиливается в 2 раза при изменении угла сдвига фаз ф от 0 до 180 в контрольной точке 4. 3) Амплитуда колебаний давления усиливается в 3,6 раза при изменении угла сдвига фаз ф от 0 до 180 в контрольной точке 5. 4) Амплитуда колебаний давления усиливается в 7 раза при изменении угла сдвига фаз ф от 0 до 180 в контрольной точке 6. 5) Амплитуда колебаний давления усиливается в 7,4 раза при изменении о о угла сдвига фаз ф от 0 до 180 в контрольных точках 7, 8, 9. 6) Амплитуда колебаний давления ослабляется в 1,2 раза при изменении угла сдвига фаз ф от 180 до 270 в контрольных точках 1, 2, 3. 7) Амплитуда колебаний давления ослабляется в 1,16 раза при изменении угла сдвига фаз ф от 180 до 270 в контрольной точке 4. 8) Амплитуда колебаний давления ослабляется в 1,28 раза при изменении угла сдвига фаз ф от 180 до 270 в контрольной точке 5. 9) Амплитуда колебаний давления ослабляется в 1,3 раза при изменении угла сдвига фаз ф от 180 до 270 в контрольной точке 6. 10) Амплитуда колебаний давления ослабляется в 1,26 раза при изменении угла сдвига фаз (р от 180 до 270 в контрольных точках 7, 8, 9. Анализ графика зависимости АР от ср при различных 7VT3 показал, что амплитуда колебаний давления для модели 3 зависит от угла сдвига фазы ф, а именно увеличивается при изменении угла сдвига фаз ф от 0 до 180 во всех контрольных точках. Максимальное усиление обнаружилось в контрольных точках 7, 8 и 9. Минимальное усиление обнаружилось в контрольных точках 1, 2 и 3 (рисунок 3.21).
Целью исследования в рамках данного раздела, является определение влияния расхода через выход первой ступени на колебательные процессы в двухступенчатом центробежном насосе. Изменение расхода в достигается за счет изменения площади выходного сечения первой ступени в Модели 3. Согласно плана вычислительного эксперимента (таблица 3.6), отношение площадей AS = SySi и (где S\ - площадь основного входа в первую ступень, St — площадь выходного сечения из первой ступени в соединительный канал) 0,0524 для вариантов 1 - 4 и 9, 10, 0,3215 для варианта 5, 1,5072 для варианта 6. Были получены результаты при угле сдвига фаз ф = п, и AV= 1 %. Анализ влияния соотношения площадей на характеристики колебательных процессов в соединительном канале и прилегающих объемах модельного двухступенчатого центробежного насоса для Модели 1 можно провести по таблице 3.6.
На рисунке 3.22 показан график зависимости амплитуды колебаний давления АР от номера контрольных точек в соединительном канале Л з при различных отношениях площадей AS. Максимальные амплитуды колебаний наблюдаются при AS — 0,3 по всей длине расчетной модели. Минимальные амплитуды колебаний наблюдаются при AS = 1,5.
Таким образом, можно сделать вывод, что при уменьшении площади выходного сечения первой ступени происходит увеличение амплитуды колебаний давления, а также снижение интенсивности пульсаций давления при движении жидкости в сторону второй ступени и наоборот, при увеличении площади выходного сечения первой ступени происходит незначительное усиление амплитуды колебаний давления, а также повышение интенсивности пульсаций давления при движении жидкости в сторону второй ступени.
В рамках данного раздела, проводиться анализ амплитуды колебаний, при различных значениях длины соединительного канала. Длина принималась 220 мм для варианта 7, 330 мм для варианта 8 и 440 для варианта 5. Численные эксперименты проводились для угла сдвига фаз (р = я. Анализ влияния длины соединительного канала на характеристики колебательных процессов в свободных объемах двухступенчатого центробежного насоса, полученных для Модели 3 приводятся в таблице 3.7.
На рисунке 3.25 приводится график зависимости АР от номера точки замера Итз при различных длинах соединительного канала. Максимальные амплитуды колебаний наблюдаются при L = 220 мм вблизи улитки второй ступени. При L= 330 мм вблизи улитки второй ступени, наоборот, наблюдается ослабление колебаний по сравнению с вариантом, соответствующим L = 440 мм.
Сравнительный анализ результатов вычислительных экспериментов по Моделям 2 и 3
На вкладке Boundary Details в меню Options выберем "стенка с проскальзыванием ". Для проведения нестационарного связанного анализа перед расчетом необходимо поместить инициализацию в дерево проекта. Для этого на панели инструментов кликнем по пиктограмме Global Initialization, после чего в дереве проекта появится меню инициализации.
В меню инициализации укажем значение нормальных скоростей для расчетных областей (при их наличии) и укажем величину начального давление (избыточное)
Для улучшения сходимости при расчете связанной задачи необходимо выполнить следующие настройки. В меню Solver Control в дереве проекта на вкладке Basic Settings укажем максимальное значение для шага итераций CFX равное пяти. На вкладке Equation Class Settings меню Mesh Displacement укажем Max. Coeff. Loops, равный десяти.
При нестационарном анализе в ANSYS CFX необходимо указать переменные, которые будут сохраняться в файл результата для каждого шага. Для выбора переменных необходимо перейти в Output Control в дереве проекта и выбрать вкладку Trn Result. На вкладке Trn Result создать контейнер для выходных данных. В меню Options необходимо выбрать Selected Variables, в Output Variables List необходимо выбрать интересующие нас переменные, также необходимо указать частоту сохранения результатов (рисунок 4.24).
После того, как все необходимые настройки выполнены, можно запускать расчетный вариант используя многопроцессорную вычислительную технику, для этого в меню Run Mode выберем тип параллельного запуска и количество используемых в расчете ядер.
Разработка инженерной методики по проведению оперативной оценки амплитуды колебательных процессов в соединительных каналах на базе программ для ЭВМ «Фаза-1» и «Фаза-2» Основной задачей данного раздела является разработка модулей для обеспечения технологического процесса подготовки к испытаниям «Фаза-1» и «Фаза-2» [65,66] которые будут содержать банк данных вычислительных экспериментов по исследованию гидродинамических процессов в каналах наукоемких изделий.
Модуль «Фаза-1» представляет собой структурированный набор результатов численных экспериментов по моделированию потока в соединительном канале с учетом прилегающих свободных объемов модельного двухступенчатого центробежного насоса в качестве объекта исследования рассматривалась Модель 3, (рисунок 4.25).
Модуль «Фаза-2» по аналогии с модулем «Фаза-1» представляет собой структурированный набор результатов численных экспериментов по моделированию потока в соединительном канале с учетом прилегающих свободных объемов модельного двухступенчатого центробежного насоса. В качестве объекта исследования рассматривалась Модель 2 (рисунок 4.26).
В отличие от раннее рассмотренной программы в "Фаза-2" уточнены свободные объемы насосов, геометрия входной и выходной частей первой ступени, геометрия свободного объема второй ступени. Действие крыльчаток насосов учитывается приложением синусоидальной нагрузки. Принимается, что крыльчатки насосов занимают определенный объем.
Таким образом разработана программа для ЭВМ "Фаза-2", в которой содержатся полученные в гл. 3 результаты вычислительных экспериментов по исследованию гидродинамических процессов в каналах наукоемких изделий и представляющая собой базу данных. Сформулированы рекомендации по уменьшению интенсивности непрогнозируемых эффектов. Предъевляемые к ресурсам ЭВМ требования: программы могут быть запущены на всех типах ЭВМ в исполнительной среде Windows ХР SP3, а также Windows Vista и Windows 7.
Инженерная методика для определения амплитуд колебательных процессов в перепускных каналах и прилегающих объемах («Фаза-1», «Фаза-2»):
В качестве системы визуализации используется иерархическая топология отображения данных, позволяющая сначала выбрать место расположение математического датчика (рисунок 4.28), а в дальнейшем получить графики зависимости для определения гидродинамических параметров от времени в этой точке.
После определения месторасположения математического датчика, необходимо ввести входные параметры, используя панель параметров расчета. В качестве параметров указывается номер математического датчика и номер положения крыльчатки первой ступени (рисунок 4.29).
