Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Численное моделирование проточных частей макетов насосов и верификация результатов моделирования путем сравнения экспериментально полученных величин с расчетными.

# 05, май 2012
DOI: 10.7463/0512.0356070
Файл статьи: Ломакин_3_P.pdf (1008.76Кб)
авторы: Петров А. И., Ломакин В. О.

УДК 62-137

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

lomakin@e10-bmstu.ru

Для существенного уменьшения количества модельных и натурных испытаний геометрия проточных частей насосов уточняется численным экспериментом в программном пакете STARCCM+ 6.04. Для использования результатов компьютерного моделирования численная модель должна быть верифицирована физическим экспериментом. Для этих целей на кафедре “Гидромеханика, гидромашины и гидропневмоавтоматика” МГТУ им. Н.Э. Баумана в рамках проекта "Разработка и производство отечественных насосных агрегатов нового класса для транспорта нефти (импортозамещающие технологии)" при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Постановление Правительства РФ № 218) проводились испытания проточных частей насосов НМ на уменьшенным моделях, а также проводилось их численное моделирование.

Была составлена численная модель проточной части модели насоса по исходной 3D-геометрии, использованной при изготовлении проточной части на 3D принтере.

Описание: Z:\Нефтяные насосы\Отчет 2011_дкабрь\Рисунки\2500_3D_model.png

Рисунок 1 - 3D-геометрия проточной части модели насоса НМ2500-230

 

Метод численного моделирования основан на решении дискретных аналогов базовых уравнений гидродинамики. В случае модели несжимаемой жидкости (ρ=const) это:

Уравнение сохранения массы (уравнение неразрывности)

Описание: \operatorname{div}\,\mathbf{v}=0,

Уравнение сохранения количества движения (уравнение Навье-Стокса)

Описание: \frac{\partial\vec{v}}{\partial t}=-(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}+\nu\Delta\vec{v}-\frac{1}{\rho}\nabla p+\vec{f},

В прямой постановке для решения полноразмерной трехмерной задачи турбулентного течения в насосе необходимо использовать очень мелкую расчетную сетку, размер ячеек которой настольно мал, что современные вычислительные ресурсы не позволяют разрешить задачу. Поэтому при данном расчете использовались уравнения Навье-Стокса, осредненные по Рейнольдсу, и дополнительные два дифференциальных уравнения, отвечающие за моделирование турбулентности.

В данной задаче использовалась модель kSST модель турбулентности. Пограничный слой описывался пристеночными функциями.

Использовалась структурированная призматическая расчетная сетка в 10 слоев вблизи твердых стенок и неструктурированная многогранная в ядре потока.

 

Описание: Z:\Нефтяные насосы\Отчет 2011_дкабрь\Рисунки\2500_mesh_prism_layer.png

Рисунок 2 - Структурированная сетка в пристенной области

 

Описание: Z:\Нефтяные насосы\Отчет 2011_дкабрь\Рисунки\2500_mesh_all.png

Рисунок 3 - Расчетная сетка для модели насоса НМ2500-230

 

Вращение рабочего колеса моделировалось как в стационарной, так и в нестационарной постановке. Т.е. предварительный расчет проводился на неподвижной сетке, а эффект вращения моделировался добавлением силовых факторов воздействующих на жидкость во вращающейся области (т.е. силы инерции и кориолисовы силы). После стационарного расчета он использовался как начальное условие для решения нестационарной задачи и расчета динамических эффектов.

Граничные условия, используемые при расчете: поток массы на входе и давление на выходе.

 

Первым этапом, как численного моделирования, так и натурного эксперимента являлось снятие интегральных характеристик агрегата, а именно построение напорной и энергетических характеристик агрегата.

Для сравнения с численным экспериментом были взяты результаты испытаний модели насоса при частоте вращения 2000 об/мин.

Характеристики, полученные при натурных испытаниях при номинальной частоте вращения 2000 об/мин, представлены в графическом виде.

 

Рисунок 4 - Характеристика модели насоса НМ2500-230 при частоте вращения 2000 об/мин

 

Расчет проводился для тех же значений расхода, что и полученные в ходе эксперимента.

В результате стационарного расчета при частоте вращения 1970 об/мин и подаче 33 л/с (первая точка была выбрана как точка с наивысшим значением КПД, т.е. оптимальная) была получена картина течения внутри насоса.

 

Описание: Z:\Нефтяные насосы\Отчет 2011_дкабрь\Рисунки\2500_n2000_Q33_vector_all.png

Рисунок 5 - Векторное поле скоростей в сечении насоса при подаче 33 л/с (сечение перпендикулярное оси вращения)

 

Описание: Z:\Нефтяные насосы\Отчет 2011_дкабрь\Рисунки\2500_n2000_Q33_vector_impeller.png

Рисунок 6 - Векторное поле скоростей внутри рабочего колеса (сечение перпендикулярное оси вращения)

 

Описание: Z:\Нефтяные насосы\Отчет 2011_дкабрь\Рисунки\2500_n2000_Q33_pressure.png

Рисунок 7 - Поле давлений в сечении насоса (сечение перпендикулярное оси вращения)

 

Значения интегральных параметров, полученных в результате расчета, следующие:

 

Таблица 1

Сравнение результатов расчета и эксперимента в номинальной точке

 

Н, м

М, Нм

КПД, %

Эксперимент

14,65

32,2

71,7

Расчет

15,7

30,94

79

Погрешность, %

7,1

3,9

10,1

 

Значения расчетных параметров отличаются от экспериментальных данных на величину погрешности. Этому есть две причины:

1. Погрешность численного эксперимента, связанная с дискретизацией исходных непрерывных уравнений гидродинамики и применение моделей турбулентности, которые являются упрощённым представлением реальных гидродинамических процессов. С этой погрешностью трудно бороться, так как ее уменьшение требует значительного увеличения вычислительных ресурсов и экономически не обосновано. Более того погрешность носит систематический характер и может быть учтена применением поправочных коэффициентов.

2. Погрешность, связанная с неполным учётом в модели факторов, присутствующих в физическом эксперименте, в частности, таких как механические потери мощности на валу насоса, утечки жидкости по щелевым уплотнениям и пр. Для устранения данной погрешности необходимо было дополнительное проведение балансовых испытаний.

 

При проведении балансовых испытаний были определены значения внешнего механического КПД и объёмного КПД. Внешний момент трения составил 2,5 Нм. Значение объемного КПД составило 0,97.

Таким образом, к расчетному моменту следует прибавить значение указанного момента трения, а расчетный напор скорректировать с учетом увеличенного расхода через рабочее колесо на значение перетечек в щелевых уплотнениях.

 

Ниже приведены некоторые результаты численного моделирования течения на других режимах по подаче (Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10).

Описание: Z:\Нефтяные насосы\Отчет 2011_дкабрь\Рисунки\2500_n2000_Q11_Scalar.png

Рисунок 8 - Распределение модуля скорости в сечении насоса при подаче 11 л/с (сечение перпендикулярное оси вращения)

 

Описание: Z:\Нефтяные насосы\Отчет 2011_дкабрь\Рисунки\2500_n2000_Q11_Vector_inlet.png

Рисунок 9 - Распределение векторов скорости в сечении  насоса при подаче 11 л/с (сечение по плоскости разъема насоса)

 

Описание: Z:\Нефтяные насосы\Отчет 2011_дкабрь\Рисунки\2500_n2000_Q23_scalar_all.png

Рисунок 10 - Распределение модуля скорости в сечении насоса при подаче 21 л/с (сечение перпендикулярное оси вращения)

 

Описание: G:\pictures_to_December\2500_n2000_Q44_Scalar Scene 1.png

Рисунок 11 Распределение модуля скорости в сечении отвода при подаче 44 л/с

 

Сравнение расчетных и экспериментальных характеристик представлено в табличном и графическом виде:

 

Таблица 2

Сравнение скорректированного расчетного и измеренного момента на валу насоса

Подача Q, л/с

Расчетный скорректированный момент М, Нм

Экспериментально измеренный момент, Нм

Погрешность, %

0

15,5

16,5

6,06

6

18,93

20,8

8,99

11

23

22,8

0,88

16

24,51

25,2

2,74

23

28,7

28,4

1,06

28

31,15

30,8

1,14

33

33,44

32,2

3,85

39

34,63

33,3

3,99

44

35,76

33,5

6,75

49

34,92

33

5,82

53

33,8

31,5

7,30

 

Таблица 3

Сравнение скорректированного расчетного и измеренного напора насоса

Подача Q, л/с

Расчетный скорректированный напор Н, м

Экспериментально измеренный напор Н, м

Погрешность, %

0

19,00

17,7

7,34

6

19,27

18

7,08

11

19,37

17,8

8,84

16

18,98

17,95

5,76

23

18,65

17,35

7,49

28

17,47

16,25

7,52

33

15,50

14,65

5,81

39

14,10

12,9

9,31

44

12,11

10,45

15,9

49

9,25

7,6

21,7

53

6,63

3,65

81,7

 

Рисунок 12 Сравнение результатов испытаний и скорректированного расчета

 

Из графика видно, что погрешность расчета напора носит систематический характер (за исключением области наибольших подач насоса) и в дальнейшем может быть учтена поправочным коэффициентом. Причины появления данной систематической погрешности могут быть выявлены в ходе дальнейших испытаний и моделирования. Погрешность вычисления момента ниже, а на каких-то режимах практически отсутствует.

 

Список использованной литературы

1.     CD-adapco STAR CCM UserGuide 6.02. США 2011. URL: http://158.110.32.35/download/SCD/star_uguide.pdf. (Дата обращения 19.03.2012)

2.     ГОСТ 6134-2007 Насосы динамические. Методы испытаний. М: 2007.  91 с.

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2019 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)