搜索應(yīng)用仿真技術(shù)，格蘭富工程師顯著提升新產(chǎn)品的水力性能
2017-03-10 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
應(yīng)用仿真技術(shù),格蘭富工程師顯著提升新產(chǎn)品的水力性能
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格蘭富通過測算認為泵消耗了世界上總電能的10%。格蘭富的工程師一直致力于優(yōu)化泵效率來減少能耗和對環(huán)境有負面影響的運營損耗。
格蘭富分別從上世紀80年代就開始采用有限元分析(FEA)和上世紀90年代采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法設(shè)計泵。剛開始FEA與CFD用于研究和排除故障。一些模擬的結(jié)果對新產(chǎn)品的設(shè)計非常有幫助。然而,大約15年前,格蘭富選擇模擬方法用于產(chǎn)品設(shè)計以便開發(fā)可靠和高效的產(chǎn)品。最近,格蘭富把模擬工具整合成一個叫做PumpIt的自動設(shè)計循環(huán)系統(tǒng),這個系統(tǒng)使得工程師可以研究數(shù)百個設(shè)計而不需要手動干預(yù),基于格蘭富工程師設(shè)定的條件,采用一組優(yōu)化程序探究整個設(shè)計空間,確認最優(yōu)設(shè)計。PumpIt提供的用戶界面允許工程師指定設(shè)計組件的類型,比如葉輪、導(dǎo)向葉片或者蝸殼等。PumpIt啟動調(diào)用模擬工具的自動設(shè)計優(yōu)化循環(huán),包括ANSYS CFD軟件,來探究設(shè)計空間。
最近的案例,格蘭富的工程師們使用PumpIt使用ANSYS CFX來模擬優(yōu)化新泵設(shè)計的水力表面。他們提升了1%-2%的泵水力效率,而且大大拓展了最大效率的流量范圍。這個團隊使用ANSYS 結(jié)構(gòu)有限元分析軟件從結(jié)構(gòu)方面來優(yōu)化泵結(jié)構(gòu),確保符合疲勞壽命要求同時最小化質(zhì)量及生成成本。
泵的設(shè)計挑戰(zhàn)
工程師們必須提升泵的峰值效率。提供相對平坦的性能曲線,另一個目標是盡量擴展在高效率水平上的流量范圍。泵的流量受安裝的影響,相對平坦的性能曲線可以高效率應(yīng)用于許多場合,同時也減少空化,使用壽命更長。另一個重要的目標是使得泵組件結(jié)構(gòu)所采用的材料最少。最小化用料可以減少生產(chǎn)消耗及減重。更輕的泵就可以使用更便宜的軸承同時可以減小噪音和振動。
流場模擬
最近,格蘭富的工程師在使用PumpIt設(shè)計多級泵,這個團隊開發(fā)所有組件的參數(shù)化模型來定義所泵流體接觸表面的水力幾何。設(shè)計目標是最大化水力效率和盡可能拓展最大效率的流量范圍。PumpIt使用實驗設(shè)計(DOE)創(chuàng)建一系列樣本,探究每一個組件的設(shè)計空間。然后PumpIt生成每一個設(shè)計樣本的幾何模型,調(diào)用CFD軟件模擬每個樣本。
用于定義水力幾何的參數(shù)化模型
初始DOE包含大約40個設(shè)計,確定了在模擬中最重要的參數(shù)和這些參數(shù)的最可能的范圍值。這些參數(shù)和范圍值作為基于kriging估計優(yōu)化算法的起始點,并為CFD仿真自動生成額外的樣本。這個優(yōu)化程序估計每一個樣本的結(jié)果,然后基于這些結(jié)果進行迭代運用,每一步迭代都使得設(shè)計更加接近效率目標。
采用循環(huán)周期對稱簡化減少計算量
CFD網(wǎng)格
初步的分析采用較粗的網(wǎng)格和標準湍流模型以便節(jié)約時間,同時獲取最可能的參數(shù)值。當設(shè)計在優(yōu)化值收斂后,加密CFD模型網(wǎng)格并采用更高級的湍流模型。要獲得優(yōu)化設(shè)計的高保真結(jié)果,工程師在高性能計算機集群上最多使用了48核。這個集群有1000多個核,8百萬兆字節(jié)隨機存取存儲器,及運行在Lustre并行文件系統(tǒng)上的5千萬兆字節(jié)高速存儲。工程師可以在一夜之間模擬數(shù)百個設(shè)計樣本。
CFD結(jié)果:壓力云圖與速度矢量
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