Данное исследование было просмотрен 226 раз

Интеллектуальные технологии цифрового моделирования элементов конструкций гидромашин

Группа научных исследований: Передовые Цифровые технологии. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции (Smart Design) и технологии «умного» производства (Smart Manufacturing).

Срок реализации: 2020-2025 гг.

Исполнитель: Центр коллективного пользования «Наукоемкие компьютерные технологии для нужд науки, образования и промышленности на основе высокопроизводительных вычислительных систем» (ЦКП НКТННОиП)

Решаемые научно-технические задачи, полученные и ожидаемые результаты

В 2020 году

Разработаны параметрические модели проточных частей струйных насосов с использованием открытого программного обеспечения.

1. Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.

В ходе исследования по разработке параметрических моделей проточных частей струйных насосов с использованием открытого программного обеспечения был разработан алгоритм, а также его программная реализация на некоммерческом языке программирования Python, для построения параметрической трёхмерной модели проточной части водоструйного насоса. Построение трёхмерной модели реализовано с помощью некоммерческого программного обеспечения для твердотельного CAD моделирования, имеющего открытый исходный код – FreeCAD. На рисунке 4.1 представлены примеры генерируемых программой геометрий проточных частей водоструйного насоса в одном и том же масштабе. Пример демонстрирует изменение геометрии проточной части в зависимости от задаваемого массового расхода на выходе из насоса, при неизменных давлениях.

Проведена верификация создаваемой трёхмерной модели проточной части водоструйного насоса с помощью CFD расчёта проточной части водоструйного насоса, спроектированного на основе экспериментальных данных [1], в ходе которой была подтверждена корректность формируемой, на основе входных параметров, трёхмерной модели проточной части струйного насоса. CFD расчёт был проведен с помощью бесплатного программного обеспечения с открытым исходным кодом для вычислительной гидродинамики (CFD) – OpenFOAM. Так на рисунках 4.2 и 4.3 представлены поля скоростей и давлений (относительных давлений, приведённых к плотности рабочей жидкости, в данном случае воды) соответственно, которые согласуются с полями скоростей и давлений представленными в [1].

Рисунок 4.1 – Трёхмерные модели проточных частей водоструйного насоса, при неизменных давлениях и различных значениях расхода на выходе из насоса Gc: а) при Gc = 30 кг/с; б) при Gc = 25 кг/с; в) при Gc = 15 кг/с

Рисунок 4.2 – Поле скоростей в проточной части водоструйного насоса

Рисунок 4.3 – Поле давлений в проточной части водоструйного насоса

2. Сопоставление полученных результатов по направлению научных исследований с мировым уровнем

Разработанный алгоритм и его программная реализация подобна зарубежным коммерческим программным продуктам для проектирования других типов струйных аппаратов, к примеру программному продукту SNAP от National Consulting LLC, в том числе предназначенному для расчёта струйных насосов, применяемых на нефтяных месторождениях [2].

В ходе исследования была решена задача параметрического проектирования проточной части водоструйного насоса в некоммерческом CAD пакете, а также была проведена верификация алгоритма с помощью CFD расчёта, проведённого в некоммерческом открытом программном обеспечении. Таким образом, с помощью некоммерческих открытых программных продуктов уже сейчас можно решать широкий круг инженерных задач по проектированию гидромашин. Развитие подобных методов в дальнейшем позволит решать практически все инженерные задачи как по проектированию, так и по оптимизации гидромашин, не применяя дорогостоящее коммерческое программное обеспечение, что в свою очередь позволит уменьшить издержки промышленности, при проектировании гидравлических машин.

3. Список использованных источников

1. NARABAYASHI, Tadashi; YAMAZAKI, Yukitaka; KOBAYASHI, Hidetoshi; SHAKOUCHI, Toshihiko (2006). Flow Analysis for Single and Multi-Nozzle Jet Pump. JSME International Journal Series B, 49(4), 933–940. doi:10.1299/jsmeb.49.933

2. National Consulting LLC. URL: http://nationsconsultinginc.com/ software.html (дата обращения: 10.12.2020)

В 2021 году
  • разработаны параметрические модели проточных частей динамических насосов с использованием открытого программного обеспечения.
  • проведена верификация открытого программного обеспечения OpenFOAM для построения прогнозных характеристик гидромашин различных типов.
В 2022 году
  • разработаны метамодели проточных частей гидромашин с использованием методов машинного обучения.
В 2023 году
  • разработана методика многокритериальной оптимизации формы проточной части на основе метамоделей проточных частей гидромашин
В 2024 году
  • разработана гибридная 1D-3D методики расчета переходных процессов, насос – гидравлическая сеть, в открытом программном комплексе OpenFOAM
В 2025 году
  • проведена оптимизация работы насоса на сеть с учетом переходных процессов, с целью повышения эффективности и жизненного цикла оборудования