Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Насосы как устройства, передающие механическую энергию привода перекачиваемой жидкости, в том или ином виде используются во всех без исключения отраслях промышленности и обладают огромным разнообразием конструктивных решений. Наиболее распространенным классом являются насосы центробежного типа, в которых движение жидкости и необходимый напор создаются за счёт механического воздействия вращающихся лопастей рабочего колеса на перекачиваемую жидкость. Этот факт обусловлен их компактностью, малой себестоимостью, малым количеством подвижных элементов, а также возможностью перекачки жидкостей с различными включениями. В некоторых отраслях промышленности широкое распространение получили центробежные погружные насосы. Главным образом это связано с возможностью перекачки жидкостей с абразивными включениями, а также с легкостью их масштабирования. Такой насос представляет собой сборку из отдельных ступеней, каждая из которых включает рабочее колесо и направляющий аппарат (отвод), причем количество таких ступеней может быть произвольным и зависит только от требуемого напора. Это делает их незаменимыми, в частности, для таких приложений, как подъем жидкости из скважин или емкостей на заданную отметку с обеспечением определённого расхода. Зависимости между основными параметрами насоса, а именно, между напором и расходом, КПД и расходом, при постоянных значениях частоты вращения рабочего колеса, вязкости и плотности перекачиваемой жидкости, называются рабочими характеристиками насоса.
В рабочем тракте промышленного погружного центробежного насоса (ППЦН) реализуются весьма сложные трёхмерные нестационарные гидромеханические процессы, представляющие собой сложную систему взаимодействия различных гидродинамических факторов, таких как: отрывные течения, подвижные и неподвижные каналы, вторичные течения турбулентной природы, каналы с определяющими размерами разного порядка и т.п. Сложность аналитического описания этих процессов и их взаимное влияние друг на друга имеют следствием тот факт, что большинство расчётных методик, использующихся вплоть до настоящего времени при анализе погружных насосных агрегатов, определении их конструктивных параметров и рабочих характеристик, основаны на полуэмпирических моделях. Применение этих моделей для новой или оптимизированной геометрии проточного тракта требует корректировки эмпирических соотношений, которая, в свою очередь, предполагает большой объём стендовых и натурных испытаний для учета особенностей конструкции. Такой подход слишком трудоемкий, требует больших временных и материальных затрат.
Между тем интенсивное развитие вычислительной техники сделало возможным использование методов численного моделирования для высокоточного системного анализа процессов, связанных с течением жидкостей и газов, в том числе, учитывая
турбулентную природу свойственных этим течениям эффектов и их взаимное влияние. Использование такого рода методов применительно к ППЦН позволяет явным образом учесть всю совокупность факторов, влияющих на их рабочие характеристики (конечное число лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата, вторичные течения, формирование и поведение вихревых зон в тракте течения, взаимное влияние различных элементов проточного тракта и т.п.). В том числе становится возможным учет режимов и условий эксплуатации, для которых проведение натурного эксперимента затруднительно или невозможно (например, агрессивные или радиоактивные среды, условия высоких температур). При таком подходе гидродинамические процессы, происходящие в ППЦН, анализируются как совокупность влияющих на них факторов. Детализация такого подхода позволяет анализировать как макрохарактеристики потока: рециркуляции в отрывных зонах или заужение полезного сечения тракта вихревыми структурами, так и микрохарактеристики потока: турбулентные пульсации скорости и их анизотропию. А также прогнозировать изменение рабочих характеристик ППЦН, например, в процессе эксплуатации, путем включения в систему анализа таких факторов, как степень износа элементов проточного тракта.
Однако до настоящего времени отсутствуют методическое и алгоритмическое обеспечение, позволяющее проводить системный анализ гидродинамических процессов и прогнозировать рабочие характеристики ППЦН с высокой точностью и минимальными временными затратами. Известные модели и методики по размерности можно разделить на одномерные, двухмерные и трехмерные. Первые основаны на приближении о бесконечном числе лопаток и струйной теории течения. Во вторых, и в третьих, обычно полагается, что жидкость является невязкой, используются высокодиффузионные численные методы, а реальная геометрия проточного тракта значительно упрощается. Элементы насоса рассчитываются отдельно друг от друга, используя осредненные граничные условия. То есть объект рассматривается не целостно, а фрагментарно, пренебрегая существенным взаимным влиянием протекающих в нем процессов. А учет таких микрофакторов, как второстепенные проточные тракты и шероховатость поверхностей или не ведется, или задается эмпирическими коэффициентами, значения которых не имеют прямой зависимости от режима работы ППЦН. Использование данных моделей также связано с периодическим принятием решений оператором на задание очередных исходных данных и выбором математических параметров модели и критериев сегментации (дискретизации) геометрии, что служит дополнительным источником погрешностей, а в отдельных случаях и грубых ошибок моделирования. К тому же сам процесс моделирования при этом неоправданно затягивается, что не позволяет проводить оперативный достоверный анализ и прогнозирование в ряде случаев, например, связанных с решением задачи о применимости той или иной конструкции ППЦН под конкретные условия эксплуатации, а также для оперативной оценки изменения характеристик ППЦН при варьировании какого-либо входного параметра.
Поэтому разработка специального методического и алгоритмического обеспечения, основанного на современных подходах и технологиях численного моделирования и позволяющего выполнять системный высокоточный анализ гидродинамических процессов в ППЦН и прогнозирование их рабочих характеристик с учетом совокупного влияния множества гидродинамических факторов и минимизацией временных затрат, является актуальной задачей.
Объект исследования - промышленные погружные центробежные насосы.
Предмет исследования - методическое и алгоритмическое обеспечение системного анализа гидродинамических процессов и прогнозирования рабочих характеристик ППЦН.
Цель исследования - повышение точности и оперативности анализа гидродинамических процессов и прогнозирования рабочих характеристик ППЦН.
Научная задача состоит в разработке методик и алгоритмов, позволяющих выполнять высокоточный трехмерный анализ гидравлических турбулентных процессов и осуществлять прогнозирование рабочих характеристик ППЦН с минимальными временными затратами.
Основные результаты исследования, выносимые на защиту:
Методика анализа гидродинамических процессов и прогнозирования рабочих характеристик ППЦН в трехмерной постановке с учетом границ применимости замыкающих соотношений для уравнений Рейнольдса;
Алгоритм автоматизированного построения трехмерной разностной сетки проточного тракта ППЦН с учетом его конструктивных особенностей на основе гексаэдр ических элементов;
Методика оценки влияния шероховатостей внутренних поверхностей ППЦН и наличия второстепенных полостей на рабочие характеристики ППЦН.
Достоверность результатов исследования, полученных в диссертационной работе, подтверждается обоснованным и корректным применением верифицированного математического аппарата, сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, приведенными в технической литературе, успешным использованием предложенных методик при разработке новых конструкций ППЦН, защищенных патентом на полезную модель.
Научная новизна результатов диссертационного исследования: 1. Разработана методика анализа гидродинамических процессов и прогнозирования рабочих характеристик ППЦН. В отличие от существующих подходов, основанных на допущениях о бесконечном числе лопаток или использовании уравнений Эйлера, не учитывающих вязкость жидкости, а также рассматривающих единую конструкцию в виде отдельных элементов без учета взаимного влияния, разработанная методика рассматривает ППЦН в полной трехмерной постановке с учетом реальной геометрии проточного тракта, взаимного влияния элементов, а также имеющихся неоднородностеи
потока разной природы. В рамках методики предложено и обосновано использование трех типов замыкающих соотношений для уравнений Рейнольдса в зависимости от требуемой точности и глубины анализа конструкции, а именно, линейно двухпараметрической модели k-є для определения интегральных рабочих характеристик ППЦН и анизотропных моделей турбулентности для детального анализа отрывных зон;
На основе многоблочного метода разработан алгоритм автоматизированного построения трехмерных разностных сеток проточного тракта ППЦН, используя его предопределенную топологию. В отличие от существующих подходов, использующих для автоматической дискретизации расчетных областей тетраэдрические элементы или элементы на их основе (полиэлементы), предложенный алгоритм обеспечивает использование исключительно гексаэдрических элементов, обладающих меньшей численной диффузией и обеспечивающих меньшее количество расчетных элементов при той же разрешающей способности. Алгоритм разработан в двух вариантах: построение по существующей твердотельной модели и по заданному множеству точек, с использованием триангуляции Делоне и диаграммы Вороного;
Разработана методика оценки влияния величины шероховатости внутренних поверхностей отдельных элементов и наличия второстепенных полостей на рабочие характеристики ППЦН. В отличие от существующей практики, когда шероховатость учитывается введением осредненных по тракту эмпирических коэффициентов, данная методика позволяет с высокой точностью определять локальное влияние качества обработки поверхности на рабочие характеристики с учетом трехмерной картины течения и локальных свойств потока. Получаемые в рамках методики результаты обеспечивают возможность технологической оптимизации конструкций ППЦН, формулируя требования к качеству механической обработки отдельных элементов. Методика также позволяет выполнять совместный анализ гидродинамических процессов в основном тракте ППЦН и во второстепенных полостях (в известных подходах полости рассматриваются либо отдельно от основанного тракта, либо посредством введения эмпирических коэффициентов, требующих тщательной подстройки для каждого случая). Это позволяет точно учитывать объемные и гидравлические потери, приходящиеся на второстепенные полости за счет реальных, а не равномерно распределенных параметров течения на входе и выходе.
Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в том, что разработанные методики и алгоритмы позволяют выполнять высокоточный системный анализ конструкций различных типов ППЦН, учитывая совокупность влияния различных факторов, таких как: второстепенные тракты течения, качество обработки деталей, образование и влияние вторичных течений и вихревых структур и т.п. и на этой основе осуществление высокоточного прогнозирования их рабочих характеристик без проведения натурных экспериментов, обеспечивая при этом величину погрешности результатов не более 15% (относительно экспериментальных
данных) во всем диапазоне эксплуатационных расходов ППЦН, а в точке максимального КПД - не более 3%. Широко используемые в настоящее время методы анализа, основанные на невязких моделях течения и допущениях о бесконечном числе лопаток, даже с учетом поправок на внутренние перетечки и трение, позволяют получить приемлемые результаты (погрешность около 15-И 8%) только в окрестностях точки максимального КПД, в то время как на границах эксплуатационного диапазона расходов погрешность составляет около 30% (см. работы Еша Б. и Крюйт Н.). Особая практическая ценность исследования заключается в создании алгоритма автоматизированного построения трехмерной разностной сетки, который позволяет в 10-15 раз уменьшить временные затраты на построение модели с сохранением высокой точности моделирования (в том числе за счет исключения пользовательской ошибки). А также в возможности совместного учета влияния на параметры ППЦН мелкомасштабных факторов, таких как шероховатость поверхностей проточного тракта и второстепенные полости, варьируя их размеры.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на российских и международных научно-технических конференциях и семинарах:
Научная конференция «ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ. Подсекция: Телекоммуникационные и информационно-вычислительные технологии в механике (Москва, 2004 г.)
VI международный конгресс по математическому моделированию (Нижний Новгород, 2004 г.)
Международная научно-практическая конференция STAR-2006: «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности» ТТ (Нижний Новгород, 2006 г.)
VI Международной конференции «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий» (Москва, 2006 г.)
Научно-технический семинар Московского научно-исследовательского центра компании Шлюмберже (Москва, 2007 г.)
Международная научная конференция «Параллельные вычислительные Технологии» (Челябинск, 2007 г.)
Научно-технический семинар департамента ядерной энергетики и безопасности института Пола Шеррера (Филлиген, 2008 г.)
Международная научно-техническая конференция «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» (Ростов-на-Дону, 2010 г.).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, список которых приводится в конце автореферата, в том числе 3 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК. По результатам работы защищен патент на полезную модель.
Личный вклад соискателя
Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности. Из совместных публикаций в диссертацию включен лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю.
Внедрение результатов исследования. Результаты диссертационного исследования реализованы и внедрены в ЗАО «Т-сервисы» для использования в работах по анализу и оптимизации насосного оборудования, в МОУ «ИИФ» при проведении НИР в рамках госконтрактов, а также в учебном процессе филиала Военной академии ракетных войск (Московская обл., г. Серпухов)
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка цитируемой литературы из 91 наименования. Общий объем работы составляет 179 страниц, включающих 139 рисунков и 24 таблицы.
Похожие диссертации на Методическое и алгоритмическое обеспечение системного анализа гидродинамических процессов и прогнозирования рабочих характеристик промышленных погружных центробежных насосов
