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

格蘭富通過測(cè)算認(rèn)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(duì)環(huán)境有負(fù)面影響的運(yùn)營(yíng)損耗。

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格蘭富分別從上世紀(jì)80年代就開始采用有限元分析(FEA)和上世紀(jì)90年代采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法設(shè)計(jì)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(duì)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)叫做PumpIt的自動(dòng)設(shè)計(jì)循環(huán)系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)使得工程師可以研究數(shù)百個(gè)設(shè)計(jì)而不需要手動(dòng)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(gè)設(shè)計(jì)空間,確認(rèn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。PumpIt提供的用戶界面允許工程師指定設(shè)計(jì)組件的類型,比如葉輪、導(dǎo)向葉片或者蝸殼等。PumpIt啟動(dòng)調(diào)用模擬工具的自動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化循環(huán),包括ANSYS CFD軟件,來探究設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)團(tuán)隊(duì)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(shí)最小化質(zhì)量及生成成本。

泵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

工程師們必須提升泵的峰值效率。提供相對(duì)平坦的性能曲線,另一個(gè)目標(biāo)是盡量擴(kuò)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(duì)平坦的性能曲線可以高效率應(yīng)用于許多場(chǎng)合,同時(shí)也減少空化,使用壽命更長(zhǎng)。另一個(gè)重要的目標(biāo)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(shí)可以減小噪音和振動(dòng)。

流場(chǎng)模擬

最近,格蘭富的工程師在使用PumpIt設(shè)計(jì)多級(jí)泵,這個(gè)團(tuán)隊(duì)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(jì)目標(biāo)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)創(chuàng)建一系列樣本,探究每一個(gè)組件的設(shè)計(jì)空間。然后PumpIt生成每一個(gè)設(shè)計(jì)樣本的幾何模型,調(diào)用CFD軟件模擬每個(gè)樣本。

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用于定義水力幾何的參數(shù)化模型

初始DOE包含大約40個(gè)設(shè)計(jì),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(jì)優(yōu)化算法的起始點(diǎn),并為CFD仿真自動(dòng)生成額外的樣本。這個(gè)優(yōu)化程序估計(jì)每一個(gè)樣本的結(jié)果,然后基于這些結(jié)果進(jìn)行迭代運(yùn)用,每一步迭代都使得設(shè)計(jì)更加接近效率目標(biāo)。

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采用循環(huán)周期對(duì)稱簡(jiǎn)化減少計(jì)算量

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CFD網(wǎng)格

初步的分析采用較粗的網(wǎng)格和標(biāo)準(zhǔn)湍流模型以便節(jié)約時(shí)間,同時(shí)獲取最可能的參數(shù)值。當(dāng)設(shè)計(jì)在優(yōu)化值收斂后,加密CFD模型網(wǎng)格并采用更高級(jí)的湍流模型。要獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)的高保真結(jié)果,工程師在高性能計(jì)算機(jī)集群上最多使用了48核。這個(gè)集群有1000多個(gè)核,8百萬兆字節(jié)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,及運(yùn)行在Lustre并行文件系統(tǒng)上的5千萬兆字節(jié)高速存儲(chǔ)。工程師可以在一夜之間模擬數(shù)百個(gè)設(shè)計(jì)樣本。

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