應用仿真技術，格蘭富工程師顯著提升新產品的水力性能

2017-03-10 by:CAE仿真在線來源:互聯網

應用仿真技術,格蘭富工程師顯著提升新產品的水力性能

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化泵效率來減少能耗和對環境有負面影響的運營損耗。

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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(CFD)方法設計泵。剛開始FEA與CFD用于研究和排除故障。一些模擬的結果對新產品的設計非常有幫助。然而,大約15年前,格蘭富選擇模擬方法用于產品設計以便開發可靠和高效的產品。最近,格蘭富把模擬工具整合成一個叫做PumpIt的自動設計循環系統,這個系統使得工程師可以研究數百個設計而不需要手動干預,基于格蘭富工程師設定的條件,采用一組優化程序探究整個設計空間,確認最優設計。PumpIt提供的用戶界面允許工程師指定設計組件的類型,比如葉輪、導向葉片或者蝸殼等。PumpIt啟動調用模擬工具的自動設計優化循環,包括ANSYS CFD軟件,來探究設計空間。

最近的案例,格蘭富的工程師們使用PumpIt使用ANSYS CFX來模擬優化新泵設計的水力表面。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 結構有限元分析軟件從結構方面來優化泵結構,確保符合疲勞壽命要求同時最小化質量及生成成本。

泵的設計挑戰

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構所采用的材料最少。最小化用料可以減少生產消耗及減重。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設計多級泵,這個團隊開發所有組件的參數化模型來定義所泵流體接觸表面的水力幾何。設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使用實驗設計(DOE)創建一系列樣本,探究每一個組件的設計空間。然后PumpIt生成每一個設計樣本的幾何模型,調用CFD軟件模擬每個樣本。

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用于定義水力幾何的參數化模型

初始DOE包含大約40個設計,確定了在模擬中最重要的參數和這些參數的最可能的范圍值。這些參數和范圍值作為基于kriging估計優化算法的起始點,并為CFD仿真自動生成額外的樣本。這個優化程序估計每一個樣本的結果,然后基于這些結果進行迭代運用,每一步迭代都使得設計更加接近效率目標。

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采用循環周期對稱簡化減少計算量

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CFD網格

初步的分析采用較粗的網格和標準湍流模型以便節約時間,同時獲取最可能的參數值。當設計在優化值收斂后,加密CFD模型網格并采用更高級的湍流模型。要獲得優化設計的高保真結果,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,8百萬兆字節隨機存取存儲器,及運行在Lustre并行文件系統上的5千萬兆字節高速存儲。工程師可以在一夜之間模擬數百個設計樣本。

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