CC BY
38
УДК 621.226(075.8)
А.А. Жарковский, Н.Н. Куриков, П.В. Пугачев, Н.Н. Шабров
КОМПЬЮТЕРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАцИЯ ТЕЧЕНИЯ
в центробежных насосах
Оценка качества и проектирование центробежных насосов и других турбомашин в настоящее время ведется с использованием трехмерных методов математического моделирования проточных частей и гидродинамического расчета течения в них. От точности применяемых методов и возможностей современных технологий визуализации течения зависит качество проектирования. Цель данной статьи - оценка возможности расчета течения, потерь и прогнозирования характеристик консольных центробежных насосов со спиральным отводом на основе расчета течения вязкой жидкости. Визуализация течения в проточной части выполнена средствами гидродинамического программного комплекса Fluent [1] с помощью новых технологий пространственного представления результатов расчета течения [2].
Расчет характеристик насоса
Расчет трехмерного вязкого течения проведен на основе уравнений Рейнольдса:
J; (Рм<)+ (Рм-м у)+ (ри'м;) =
dt
др_ + _Э_
Эх,- dxj
dxj
Эи,. duj дх, Эх,
где u u2, u3 - осредненные по времени значения скоростей; u', u'2, u'3 - пульсационные составляющие скоростей; слагаемое f выражает действие центробежных и кориолисовых сил. Для замыкания уравнений Рейнольдса использована RNG к - е модель турбулентности. Количество элементов расчетной сетки 1,2-106.
Рассчитаны течение и прогнозные характеристики центробежного насоса с низким коэффициентом быстроходности n = 40. Модель расчетной области течения в проточной части ступени насоса представлена на рис. 1. Параметры потока на выходе из РК передавались в спиральный отвод (СО) через поверхность-интерфейс с условием «frozen rotor» («замороженный ротор»), когда в процессе расчета роторные элементы проточной части полагаются зафиксированными в опреде-
ленном угловом положении относительно ста-торных элементов. Осреднение на поверхности интерфейса не выполнялось, что позволило моделировать воздействие следа от лопасти одного элемента на течение в канале следующего элемента. Наличие спирального отвода означало отсутствие окружной симметрии потока в РК, что требовало расчета течения в РК во всех межлопастных каналах. Расчетные ячейки в ядре потока представляли собой тетраэдры. Вблизи входных и выходных кромок РК и поверхности интерфейса производилось сгущение элементов. Вблизи твердых стенок были созданы слои призматических ячеек для достижения равномерной точности расчета в местах быстрого изменения параметров течения. На входе в расчетную область задавалась расходная скорость. На выходе ставились мягкие условия. На твердых стенках было задано условие прилипания к гладкой стенке. Расчет проводился в стационарной постановке.
Рис.1. Модель проточной части насоса
Расхождение расчета и эксперимента по коэф-
н
фициенту напора у2 =—-— (и2 = ю') (рис. 2)
и 2 1Я
составило 1 %. Зависимость КПД от коэффици-
Ут1
ента расхода ф2 = —т— (¥т2 - меридианная ско-
и 2
рость на выходе РК) насоса представлена на рис. 3. Видно, что значение КПД достаточно хорошо согласуется с экспериментом в зоне оптимальных подач и несколько хуже в остальной области. На рис. 4 представлены зависимости гидравлических потерь в элементах проточной части: рабочем колесе и спиральном отводе. Расчет позволяет адекватно описать течение в проточной части консольного насоса низкой быстроходности со спиральным отводом. На рис. 5 представлены результаты расчета полей относительных скоростей в каналах рабочего колеса и спирального отвода на средней их высоте (сечении) при номинальном расходе. Можно видеть, что течение в каналах
ДЛГ_РК, % ДЛг_СО, %
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 007 0,08 009
Рис. 2. Напорная характеристика насоса
•
/
/ /
/
■
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 005 0,06 0,07 0,08 0,09 Ч>2
Рис. 3. Зависимость КПД от подачи насоса
0,00 001 0,02 003 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 Ч>2
Рис. 4. Гидравлические потери в РК и СО
РК, занимающих различное положение относительно «зуба» спирального отвода, качественно различно. Это говорит о том, что течение в каналах РК носит нестационарный характер даже на номинальном режиме.
Визуализация результатов
Визуализация результатов расчета выполнялась по новой технологии визуализации больших потоков данных на основе созданного на ММФ программно-аппаратного комплекса виртуальной реальности CAVE 3D, а также с помощью технологии индуцированной реальности.
Визуализация в системе CAVE 3D. Системы виртуальной реальности типа CAVE 3D на сегодняшний день предоставляют самые передовые технологии визуализации больших и сверхбольших объемов данных, когда традиционные средства визуализации становятся недостаточными для быстрого и полного восприятия и понимания результатов исследований.
Система CAVE 3D представляет собой программно-аппаратный комплекс, основные компоненты которого: проекционно-экранное оборудование (три просветных экрана и шесть проекторов), высокопроизводительный видеокластер, оптическая трекинг-система, программное обеспечение.
Главное назначение системы CAVE 3D - исследования в области виртуального прототипи-рования. Виртуальное прототипирование - это современный подход к разработке новой продукции, основанный на инновационных технологиях воспроизведения виртуального образа продукта и полного погружения в его виртуальный мир перед запуском в реальное производство. В комплексе с
Рис. 5. Визуализация в системе CAVE 3D потока жидкости и поля давлений в центробежном лопастном насосе
физическим моделированием объекта виртуальное прототипирование позволяет существенно сократить сроки создания и стоимость конкурентоспособной продукции машиностроения.
Пример визуализации результатов моделирования в пакете Fluent гидродинамических процессов в центробежном лопастном насосе показан на рис. 5. Имеющаяся в ЦКП «Компьютерные технологии проектирования и моделирования в системах виртуальной реальности» СПбГПУ ММФ система CAVE 3D позволяет визуализировать любые компьютерные модели объектов и процессов, независимо от программного обеспечения, используемого для моделирования.
Визуализация с помощью технологии индуцированной реальности. Технология индуцированной реальности, основанная на создании гибридных моделей, наряду с технологией виртуальной реальности - перспективное средство, упрощающее процесс восприятия и понимания результатов, полученных с помощью больших моделей.
Гибридной моделью является комбинация реального физического объекта и некоторого виртуального объекта - компьютерной модели. Виртуальный объект содержит дополнительную информацию о реальном объекте, которая отсутствует в визуальном восприятии человека (ко-
личественные характеристики физических процессов, связанных с реальным объектом - поля температур, давлений, скоростей, структуры потоков, электромагнитные поля и т. д.), либо является самостоятельным объектом. Гибридный прототип позволяет не заменять реальный исследуемый объект его электронной моделью, оставаясь в рамках реального взаимодействия с предметом. Тем самым, наличие реального объекта позволяет человеку максимально полно воспринимать его и исследуемые процессы или объекты, связанные с ним.
Технология создания гибридных моделей заключается в совмещении изображения визуализированного объема данных и изображения, регистрируемого видеокамерой. Взаимное положение этих изображений однозначно задается путем расположения системы координат, связанной с виртуальным объектом, в системе координат реального пространства. Последняя может быть задана, в частности, путем «графической регистрации» определенных объектов в пространстве. На каждом кадре, поступающем с видеокамеры, происходит поиск заранее известных объектов, определяются их размеры и ориентации в кадре. Такими объектами могут быть либо маркеры, расположенные неподвижно в пространстве в поле зрения видеокамеры, либо сами объекты реальной среды.
Создание гибридных моделей неразрывно связано с компьютерным моделированием как самого объекта, так и связанного с ним процесса.
С целью демонстрации применения технологии индуцированной реальности к визуализации результатов моделирования была создана гибридная модель центробежного лопастного насоса. Поскольку насоса как реального объекта не существует, потребовалось создание его трехмерной модели в пакете Pro/Engineer по имеющимся чертежам. Затем по созданной CAD модели на установке лазерного спекания был получен полномасштабный макет насоса. Процесс изготовления макета заключается в следующем. В программной среде установки лазерного спекания Sinterstation HiQ SLS CAD-модель условно рассекается большим количеством параллельных плоскостей, получается некоторое количество «слоев». Объект изготовляется послойно: раскатывается тонкий слой полиамидного порошка, на который с помощью лазера оказывается высокотемпературное воздействие на области, определяемой формой
слоя из CAD-модели. Порошок спекается, затем наносится следующий слой, и процесс повторяется. Полный процесс создания макета от чертежа до реального объекта показан на рис. 6.
На заключительном этапе создания гибридной модели происходит объединение изображений реального и виртуального объектов, что проиллюстрировано на рис. 7.
Рис. 6. Этапы создания макета насоса
Рис. 7. Гибридная модель насоса
Рис. 8. Распределение относительных скоростей при Q = 1,0
Из анализа результатов расчета течения в насосе можно сделать следующие выводы (см. рис. 8).
Большая часть гидравлических потерь (55^60 %) сосредоточена в спиральном отводе, конкретно в его спиральной части. Изменить эту составляющую гидравлических потерь можно за
счет расширения сечений спиральной камеры.
Гидравлические потери в РК связаны с существенными отрывными зонами потока в РК. Ликвидировать зоны отрыва можно уменьшив диф-фузорность межлопастных каналов, например, за счет проектирования рабочего колеса с большим числом лопастей ^ = 8-9).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. FLUENT 6.3, Documentation [Электронный 2. COVISE 6.5.0 Documentation [Электронный
ресурс].-Fluent inc. 2005 г. ресурс].
УДК 666.1.037.5
В.С. Нагорный, Н.С. Пщелко
ОСНОВЫ РАСЧЕТА СОПРОТИВЛЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПЛЕНОК ПРИ ЭЛЕКТРОКАПЛЕСТРУЙНОМ ФОРМИРОВАНИИ
В последнее десятилетие ведущими мировыми фирмами и научными коллективами ведутся интенсивные разработки новых способов синтеза многокомпонентных жидкостей с наночастицами металла [1-11], предназначенных для использования в технологиях управляемого получения на-ноструктурированных проводящих топологий на
различных носителях в различных приложениях. Металлами в таких жидкостях являются нано-частицы меди [1], меди и серебра [2, 3], меди и железа [6], золота [4, 5], серебра [7-11].
Предложен [11] новый электрокаплеструй-ный метод управляемого от ЭВМ формирования без фотолитографического процесса проводящих
