应用仿真技术，格兰富工程师显著提升新产品的水力性能

2017-03-10 by:CAE仿真在线来源:互联网

应用仿真技术,格兰富工程师显著提升新产品的水力性能

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格兰富通过测算认为泵消耗了世界上总电能的10%。格兰富的工程师一直致力于优化泵效率来减少能耗和对环境有负面影响的运营损耗。

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格兰富分别从上世纪80年代就开始采用有限元分析(FEA)和上世纪90年代采用计算流体动力学(CFD)方法设计泵。刚开始FEA与CFD用于研究和排除故障。一些模拟的结果对新产品的设计非常有帮助。然而,大约15年前,格兰富选择模拟方法用于产品设计以便开发可靠和高效的产品。最近,格兰富把模拟工具整合成一个叫做PumpIt的自动设计循环系统,这个系统使得工程师可以研究数百个设计而不需要手动干预,基于格兰富工程师设定的条件,采用一组优化程序探究整个设计空间,确认最优设计。PumpIt提供的用户界面允许工程师指定设计组件的类型,比如叶轮、导向叶片或者蜗壳等。PumpIt启动调用模拟工具的自动设计优化循环,包括ANSYS CFD软件,来探究设计空间。

最近的案例,格兰富的工程师们使用PumpIt使用ANSYS CFX来模拟优化新泵设计的水力表面。他们提升了1%-2%的泵水力效率,而且大大拓展了最大效率的流量范围。这个团队使用ANSYS 结构有限元分析软件从结构方面来优化泵结构,确保符合疲劳寿命要求同时最小化质量及生成成本。

泵的设计挑战

工程师们必须提升泵的峰值效率。提供相对平坦的性能曲线,另一个目标是尽量扩展在高效率水平上的流量范围。泵的流量受安装的影响,相对平坦的性能曲线可以高效率应用于许多场合,同时也减少空化,使用寿命更长。另一个重要的目标是使得泵组件结构所采用的材料最少。最小化用料可以减少生产消耗及减重。更轻的泵就可以使用更便宜的轴承同时可以减小噪音和振动。

流场模拟

最近,格兰富的工程师在使用PumpIt设计多级泵,这个团队开发所有组件的参数化模型来定义所泵流体接触表面的水力几何。设计目标是最大化水力效率和尽可能拓展最大效率的流量范围。PumpIt使用实验设计(DOE)创建一系列样本,探究每一个组件的设计空间。然后PumpIt生成每一个设计样本的几何模型,调用CFD软件模拟每个样本。

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用于定义水力几何的参数化模型

初始DOE包含大约40个设计,确定了在模拟中最重要的参数和这些参数的最可能的范围值。这些参数和范围值作为基于kriging估计优化算法的起始点,并为CFD仿真自动生成额外的样本。这个优化程序估计每一个样本的结果,然后基于这些结果进行迭代运用,每一步迭代都使得设计更加接近效率目标。

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采用循环周期对称简化减少计算量

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CFD网格

初步的分析采用较粗的网格和标准湍流模型以便节约时间,同时获取最可能的参数值。当设计在优化值收敛后,加密CFD模型网格并采用更高级的湍流模型。要获得优化设计的高保真结果,工程师在高性能计算机集群上最多使用了48核。这个集群有1000多个核,8百万兆字节随机存取存储器,及运行在Lustre并行文件系统上的5千万兆字节高速存储。工程师可以在一夜之间模拟数百个设计样本。

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