Wyniki wyszukiwania - BazTech

Ograniczanie wyników

Znaleziono wyników: 1

Liczba wyników na stronie

Wyniki wyszukiwania

Wyszukiwano:
w słowach kluczowych: designing the shape of the impeller

Sortuj według:

Ogranicz wyniki do:

Wielokryterialna i wielopoziomowa optymalizacja kształtu półotwartych wirników pomp o niskich wyróżnikach szybkozbieżności

Papierski A.

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

2010

Z. 397

6-137

W pracy opisano nową metodę projektowania półotwartych wirników pomp ze szczególnym uwzględnieniem tych o niskich kinematycznych wyróżnikach szybkobieżności (nq < 20). Dotychczas główne wymiary wirnika wyznaczane są metodą opartą na jednowymiarowej teorii przepływu uzupełnioną związkami i zależnościami empirycznymi określonymi na podstawie badań, z których część jest własnych [69]. W przypadku wirników półotwartych teoria jednowymiarowa uzupełniona jest formułami empirycznymi ujmującymi zjawiska związane z istnieniem nieruchomej pokrywy i szczeliny nadłopatkowej. Rezultaty obliczeń metodą jednowymiarową stanowią podstawę do kolejnego etapu projektowania opierającego się na trójwymiarowych metodach analizy przepływu, w trakcie którego wyznaczane są parametry lokalne prędkości i ciśnienia czynnika. Zaobserwowane wtedy niekorzystne zjawiska hydrauliczne zwiększające straty hydrauliczne (np. obszary zawirowań), które nie mogą być wykryte za pomocą metod jednowymiarowych, stanowią podstawę do korekty zarysu łopatek lub przekroju merydionalnego kanału. W takim przypadku obliczenia są wykonywane powtórnie, aż do uzyskania zadowalających wyników obliczeń, często lepszych od zakładanych. Takie "tradycyjne" wykorzystanie metod trójwymiarowych wymaga od projektanta dużej wiedzy i intuicji inżynierskiej. Nie gwarantuje to jednak uzyskania maksymalnej z możliwych sprawności, a jedynie lepszej od uzyskanej na drodze obliczeń opartych na modelu jednowymiarowym. Formalne wprowadzenie metod globalnej optymalizacji poprzez zdefiniowanie funkcji celu wyznaczanej na podstawie wyników metod trójwymiarowych pozwala na uzyskanie największych sprawności z możliwych przy danych ograniczeniach. Straty hydrauliczne w kanałach przepływowych decydują o sprawności pompy. Poziomem odniesienia dla zakładanych sprawności projektowanych pomp są sprawności już zrealizowanych maszyn (rysunek 1). Formuły empiryczne pozwalają określić sprawności na podstawie danych wyjściowych do projektowania pompy, nie dają jednak odpowiedzi, czy można uzyskać ich wyższe wartości. Fakt ten był bezpośrednią przyczyną wprowadzenia do algorytmu projektowania metod optymalizacji wyznaczających ekstremum funkcji celu określonej na podstawie wyników obliczeń numerycznych pól prędkości i ciśnień.(wykres) Pompy powinny cechować się również bezkawitacyjną pracą w całym zakresie zmian wydajności. Wirniki projektuje się zwykle na podstawie nominalnych parametrów pracy pompy. Nie gwarantuje to pracy wirnika bez kawitacji przy wydajnościach różnych od nominalnych. Wyznaczone metodą jednowymiarową główne wymiary wirnika i kształt łopatki podlegają optymalizacji. Funkcjami celu są w tej metodzie minimalny obszar fazy parowej w części wlotowej wirnika, który, jak wykazano w pracy, jest miernikiem nadwyżki antykawitacyjnej oraz maksymalna sprawność całkowita wirnika. Funkcje te są określone na zbiorze parametrów decyzyjnych ograniczonych dopuszczalnymi parametrami konstrukcyjnym, takimi jak grubość łopatki wynikająca z technologii wykonania i wytrzymałości materiału oraz przepływowymi (np. określona wysokość podnoszenia pompy). Często jednym z ograniczeń wymiarowych są warunki zabudowy wirnika. W przypadku modernizacji częstym ograniczeniem jest korpus pompy, który ze względów ekonomicznych niekiedy musi pozostać niezmieniony, stawia to ograniczenia na wymiary konstrukcji wirnika. Funkcje celu są obliczane na podstawie wyników obliczeń, otrzymanych w oparciu o rozwiązanie układu równań Naviera-Stokesa i zachowania masy dla średnio-ustalonego trójwymiarowego turbulentnego przepływu dwufazowego, wyznaczonego programem ANSYS-CFX. Przed wyborem metody optymalizacji zbadano charakter funkcji celu dla wybranych parametrów geometrii wirnika. W wyniku tej analizy stwierdzono, iż funkcje celu mają charakter niegładkich funkcji. Na gładką funkcję nałożony jest losowy szum (ang. noisy functions). Dla takiej funkcji celu najczęściej stosowane gradientowe algorytmy optymalizacji nie są w stanie znaleźć ekstremum globalnego i zatrzymują się w jednym z wielu lokalnych minimów. Jako narzędzie optymalizacji zastosowano algorytmy wyznaczania globalnego ekstremum funkcji niegładkich. Wykorzystano między innymi algorytm niejawnej filtracji (ang. Implicit Filtering) [12], który okazał się skuteczny dla niewielkiej liczby zmiennych decyzyjnych i niezależnie od wybranego punktu startowego znajduje globalne ekstremum funkcji celu. W procesie weryfikacji numerycznej wykorzystane-algorytm DIRECT) [45] oraz algorytm ewolucyjny (ang. Evolutionary Algorithms) [15], który jest bardziej skuteczny i gwarantuje znalezienie globalnego ekstremum zwykle dla większej ilości parametrów decyzyjnych niż 10 [86]. Zostało to również potwierdzone przez autora. Praca przedstawia zastosowane metody optymalizacji oraz ich porównanie. Zawiera przykład obliczania optymalnej geometrii łopatek wirnika spełniającej zadane funkcje celu oraz narzucone ograniczenia na konstrukcję wirnika. Obliczenie funkcji celu powinno odbywać się w trybie automatycznym ze względu na to, że proces optymalizacji wymaga od kilkudziesięciu do kilku tysięcy razy obliczenia parametrów przepływowych, na podstawie których liczone są funkcje celu. Na pojedynczy cykl obliczeń funkcji celu składa się: - Matematyczny zapis geometrii wirnika w postaci parametrycznej (parametrami są między innymi zmienne decyzyjne). - Automatyczna generacja danych dla programu budującego siatkę obliczeniową. - Budowa siatki obliczeniowej na podstawie bieżącej geometrii z kontrolą parametrów opisujących jej jakość. Im gorsza jakość siatki, tym funkcja celu obarczona jest większym szumem wynikającym z błędów numerycznych. - Automatyczna budowa zadania (metoda RANS, model turbulencji, model kawitacyjny). Postawienie odpowiednich warunków brzegowych. - Wykonanie obliczeń dla ustalonych kryteriów zakończenia procesu iteracyjnego. Zbyt dokładne kryteria niepotrzebnie wydłużają czas obliczeń, a mało dokładne powodują, że funkcja celu wyznaczana jest niedokładnie. - Obliczenie funkcji celu na podstawie uzyskanych pól prędkości, ciśnień, naprężeń oraz udziałów objętościowych składników płynącego czynnika. Realizacja pracy wymagała opracowania zestawu programów komputerowych wykonujących powyższy cykl bez ingerencji użytkownika (lecz z możliwością jego monitorowania). Zoptymalizowano go pod względem czasu obliczeń. Obliczenia mogą być wykonywane równolegle na wieloprocesorowym komputerze lub klastrze obliczeniowym. Dla znacznego zwiększenia efektywności procesu optymalizacji dokonano podziału zadania na mniejsze podsystemy poprzez wprowadzenie optymalizacji wielopoziomowej. Wykazano, iż takie podejście znacznie zmniejsza czas procesu optymalizacji (w analizowanym przypadku aż ponad czterokrotnie), otrzymując identyczny rezultat (z zadaną dokładnością) jak w przypadku rozwiązania pełnego zadania wielokryterialnej optymalizacji. W celu walidacji metody obliczeniowej oraz doskonalenia algorytmu bazującego na teorii jednowymiarowego przepływu, który służy do obliczania głównych wymiarów wirnika oraz początkowych wartości zmiennych decyzyjnych, zbudowano stanowisko pomiarowe, które umożliwia wyznaczenie podstawowych parametrów przepływowo-energetycznych, takich jak wysokość podnoszenia, wydajność, moc, sprawność oraz zapas antykawitacyjny. Stanowisko to umożliwia także pomiar momentu tarcia o nieruchomą pokrywę oraz pomiar niestacjonarnego pola prędkości i ciśnień na wylocie z wirnika.

A design method of semi-open impellers for low specific speed pumps has been described. The main impeller dimensions have been determined on the basis of a one-dimensional theory supplemented with the elements that account for phenomena related to the existence of an unrotating shroud and a shroud gap. The determined thus dimensions of the impeller, as well as the blade shape are subject to further multi-objective optimization. The minimum region of the water vapor phase and the maximum efficiency are partial objective functions. The objective functions are determined on a set of decision parameters that are limited by acceptable design parameters (e.g., the blade minimum thickness) and flow parameters (e.g., the defined pump head). The objective functions are determined from the calculation results on the basis of the RANS two-phase turbulent 3D flow model obtained with the ANSYS-CFX software package. Before a selection of the optimization method, the character of the objective function for some chosen parameters of the impeller geometry has been investigated. As a result of this analysis, it has been found that the objective function is a smooth function with noisy functions imposed on it. For such an objective function, most frequently used gradient optimization algorithms are not able to find the global extreme and they stop in one of numerous local minima. Algorithms for determination of the global extreme of nonsmooth functions have been used as an optimization tool. Among others, an implicit filtering algorithm, which is efficient for a small number of decision variables and finds the global extreme of the objective function independently of the starting point selected, has been employed. To verify the computational codes and to compare the methods, calculations employing an algorithm for direct search of the objective function and a genetic algorithm, which is more efficient and guarantees that the global extreme for a larger number of decision parameters (more than 10) will be found, have been conducted. Details concerning the optimization methods discussed and their comparison have been presented. An example of determination of the impeller geometry as well as calculation results in the form of the optimal impeller channel shape as regards the assumed criteria have been shown. A possibility to use a multilevel optimization method and its considerable advantage over the general method have been demonstrated.\ A package of codes to conduct the optimization process without the user's interference but with a possibility to monitor and optimize it during computations has been developed. The computations are carried out in parallel on a multiprocessor cluster. To validate the method and to improve the initial one-dimensional algorithm that is used to establish the basic dimensions of the impeller and the initial values of decision variables, a test stand has been built. It has enabled, for instance, a measurement of the friction moment against the unrotating shroud and a measurement of unsteady velocity and pressure fields at the impeller outlet.