Решение прямой задачи для определения характеристик потока в проточной части
В работе исследуется структура потока на выходе из рабочего колеса центробежного насоса в безлопаточный диффузор. Результаты численного эксперимента, полученные с использованием метода гидродинамических особенностей сравниваются с результатами, полученными ранее при помощи метода конечных элементов,...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Дата: | 2015 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2015
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99243 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Решение прямой задачи для определения характеристик потока в проточной части / А.К. Давиденко // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 4/2. — С. 24-29. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99243 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Давиденко, А.К. 2016-04-25T13:46:53Z 2016-04-25T13:46:53Z 2015 Решение прямой задачи для определения характеристик потока в проточной части / А.К. Давиденко // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 4/2. — С. 24-29. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99243 621.67 В работе исследуется структура потока на выходе из рабочего колеса центробежного насоса в безлопаточный диффузор. Результаты численного эксперимента, полученные с использованием метода гидродинамических особенностей сравниваются с результатами, полученными ранее при помощи метода конечных элементов, и с результатами физического эксперимента. Параметры рабочего колеса: коэффициент быстроходности – 100, число лопастей – 7, наружный диаметр – 500 мм. Данное колесо было исследовано в 1970 г. во «ВНИИАЭН» А. И. Тимшиным на аэростенде при частоте вращения n = 2200 об/мин. Численный расчет потока выполнен методом гидродинамических особенностей на основе модели потенциального трехмерного течения идеальной жидкости. В качестве гидродинамических особенностей принята вихревая рамка, системой которых определяется вся поверхность течения жидкости от входного сечения до выходного. Результаты безразмерных меридианных скоростей на выходе из рабочего колеса, полученные численным экспериментом методом гидродинамических элементов, качественно и количественно согласуются с методом конечных элементов и физическим экспериментом. В целом метод гидродинамических особенностей позволяет удовлетворительно моделировать макроструктуру потока в элементах проточной части гидравлических машин и в общем случае менее ресурсоемкий по сравнению с методом конечных элементов. Досліджено структуру потоку на виході з робочого колеса відцентрового насосу з безлопатевим дифузором. Наведено результати чисельного експерименту на базі методу гідродинамічних особливостей, порівняні з раніше отриманими результатами чисельного експерименту, на базі методу скінченних елементів, та результатами фізичного експерименту. The present paper deals with a flow pattern along the outlet of a centrifugal pump impeller at a vaneless diffuser. The results obtained from a numerical experiment using the method of hydrodynamic singularities are compared with those previously reported for a numerical experiment using the finite element method and with the results of a physical experiment. The impeller parameters considered are as follows: specific speed factor - 100, number of blades – 7, outlet diameter – 500 mm. The characteristics of such impeller were studied in 1970 in VNIIAEN by Timshyn A.I, Cand. Eng. Sc., using an air test bench at rotational speed n = 2200 rpm. The numerical flow calculations were performed using the method of hydrodynamic singularities on the basis of a model of potential three-dimensional flow of an ideal fluid. For the hydrodynamic singularities a vortex frame was taken, so that the system of the latter defines the entire flow surface from the inlet section up to the outlet section. The results for dimensionless meridional velocities at the impeller outlet obtained from the numerical experiment using the hydrodynamic element method are both qualitatively and quantitatively consistent with the finite element method and the physical experiment. Generally, the method of hydrodynamic singularities enables adequate simulation of a flow macro-pattern in hydraulic components of hydraulic machines being less resourcedemanding in the general case as compared to the finite element method. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах Решение прямой задачи для определения характеристик потока в проточной части Solving a Direct Problem in Order to Predict Flow Conditions in Hydraulic Passages Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Решение прямой задачи для определения характеристик потока в проточной части |
| spellingShingle |
Решение прямой задачи для определения характеристик потока в проточной части Давиденко, А.К. Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах |
| title_short |
Решение прямой задачи для определения характеристик потока в проточной части |
| title_full |
Решение прямой задачи для определения характеристик потока в проточной части |
| title_fullStr |
Решение прямой задачи для определения характеристик потока в проточной части |
| title_full_unstemmed |
Решение прямой задачи для определения характеристик потока в проточной части |
| title_sort |
решение прямой задачи для определения характеристик потока в проточной части |
| author |
Давиденко, А.К. |
| author_facet |
Давиденко, А.К. |
| topic |
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах |
| topic_facet |
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Проблемы машиностроения |
| publisher |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Solving a Direct Problem in Order to Predict Flow Conditions in Hydraulic Passages |
| description |
В работе исследуется структура потока на выходе из рабочего колеса центробежного насоса в безлопаточный диффузор. Результаты численного эксперимента, полученные с использованием метода гидродинамических особенностей сравниваются с результатами, полученными ранее при помощи метода конечных элементов, и с результатами физического эксперимента. Параметры рабочего колеса: коэффициент быстроходности – 100, число лопастей – 7, наружный диаметр – 500 мм. Данное колесо было исследовано в 1970 г. во «ВНИИАЭН» А. И. Тимшиным на аэростенде при частоте вращения n = 2200 об/мин. Численный расчет потока выполнен методом гидродинамических особенностей на основе модели потенциального трехмерного течения идеальной жидкости. В качестве гидродинамических особенностей принята вихревая рамка, системой которых определяется вся поверхность течения жидкости от входного сечения до выходного. Результаты безразмерных меридианных скоростей на выходе из рабочего колеса, полученные численным экспериментом методом гидродинамических элементов, качественно и количественно согласуются с методом конечных элементов и физическим экспериментом. В целом метод гидродинамических особенностей позволяет удовлетворительно моделировать макроструктуру потока в элементах проточной части гидравлических машин и в общем случае менее ресурсоемкий по сравнению с методом конечных элементов.
Досліджено структуру потоку на виході з робочого колеса відцентрового насосу з безлопатевим дифузором. Наведено результати чисельного експерименту на базі методу гідродинамічних особливостей, порівняні з раніше отриманими результатами чисельного експерименту, на базі методу скінченних елементів, та результатами фізичного експерименту.
The present paper deals with a flow pattern along the outlet of a centrifugal pump impeller at a vaneless diffuser. The results obtained from a numerical experiment using the method of hydrodynamic singularities are compared with those previously reported for a numerical experiment using the finite element method and with the results of a physical experiment. The impeller parameters considered are as follows: specific speed factor - 100, number of blades – 7, outlet diameter – 500 mm. The characteristics of such impeller were studied in 1970 in VNIIAEN by Timshyn A.I, Cand. Eng. Sc., using an air test bench at rotational speed n = 2200 rpm. The numerical flow calculations were performed using the method of hydrodynamic singularities on the basis of a model of potential three-dimensional flow of an ideal fluid. For the hydrodynamic singularities a vortex frame was taken, so that the system of the latter defines the entire flow surface from the inlet section up to the outlet section. The results for dimensionless meridional velocities at the impeller outlet obtained from the numerical experiment using the hydrodynamic element method are both qualitatively and quantitatively consistent with the finite element method and the physical experiment. Generally, the method of hydrodynamic singularities enables adequate simulation of a flow macro-pattern in hydraulic components of hydraulic machines being less resourcedemanding in the general case as compared to the finite element method.
|
| issn |
0131-2928 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99243 |
| citation_txt |
Решение прямой задачи для определения характеристик потока в проточной части / А.К. Давиденко // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 4/2. — С. 24-29. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT davidenkoak rešenieprâmoizadačidlâopredeleniâharakteristikpotokavprotočnoičasti AT davidenkoak solvingadirectprobleminordertopredictflowconditionsinhydraulicpassages |
| first_indexed |
2025-11-27T09:16:57Z |
| last_indexed |
2025-11-27T09:16:57Z |
| _version_ |
1850808712893038592 |
| fulltext |
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/2 24
А. К. Давиденко, канд. техн. наук
ПАО «ВНИИАЭН» Научно-
исследовательский и проектно-
конструкторский институт атомного
и энергетического насосостроения,
г. Сумы,
e-mail: admin@vniiaen.sumy.ua
Ключові слова: робоче колесо, відцентровий
насос, метод гідродинамічних особливостей,
структура потоку, меридіанний потік.
УДК 621.67
РЕШЕНИЕ ПРЯМОЙ ЗАДАЧИ ДЛЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОТОКА В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ
Досліджено структуру потоку на виході з робочого колеса
відцентрового насосу з безлопатевим дифузором. Наведено
результати чисельного експерименту на базі методу гідроди-
намічних особливостей, порівняні з раніше отриманими ре-
зультатами чисельного експерименту, на базі методу скін-
ченних елементів, та результатами фізичного експерименту.
Введение
Поток, протекающий в машине, имеют сложную пространственную структуру. В общем виде
течение поддается описанию уравнениями течения вязкой жидкости. Однако на практике не пред-
ставляется пока возможным, учитывая современное состояние развития численных методов расчета и
вычислительной техники, провести достаточно точный гидродинамический расчет пространственно-
го течения жидкости как во всей машине в целом, так и в отдельных элементах. Уместно отметить,
что при инженерных расчетах трехмерных течений в элементах гидромашин в конкретных условиях
вводят ряд упрощений и для практических целей используют упрощенные модели.
Объект исследования
В качестве объекта исследования выбрано центробежное рабочее колесо (РК) с коэффициен-
том быстроходности 100, с 7 лопастями, с наружным диаметром 500 мм. Данное колесо было иссле-
довано в 1970 г. во «ВНИИАЭН» А. И. Тимшиным на аэростенде при частоте вращения
n = 2200 об/мин [1].
Предметом ис-
следования является
структура потока на
выходе из рабочего ко-
леса в безлопаточный
диффузор.
Метод исследования
Численный рас-
чет потока на основе
метода гидродинами-
ческих особенностей и
модели потенциального
трехмерного течения
идеальной жидкости
хорошо зарекомендо-
вал себя для расчета
полей скоростей в раз-
личных сечениях. В
качестве гидродинами-
ческих особенностей
принята вихревая рам-
ка, системой которых
определяется вся по-
верхность течения жид-
© А. К. Давиденко, 2015
Рис. 1. Расчетная схема и сетка в МГО
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/2 25
кости от входного сече-
ния до выходного. Алго-
ритм решения прямой
задачи для расчета про-
точных частей гидравли-
ческих турбин и насосов
номенклатурного типа
докладывался на конфе-
ренциях и освещен в
различных публикациях
[2–4].
В данной работе
результаты проведенно-
го численного экспери-
мента (ЧЭ) на основе
метода гидродинамиче-
ских особенностей
(МГО) сравниваются с
ранее полученными ре-
зультатами численного
эксперимента [1] на основе метода конечных элементов (МКЭ) и результатами физического экспери-
мента (ФЭ).
Геометрическая модель
Геометрическая модель РК была экспортирована из ранее созданной модели в CAD системе
[1]. Схема экспорта: Модель CAD системы → Модель VRML (*.wrl) → 3D Studio ASCII Mesh (*.asc)
→ Расчетная сетка. Расчетная сетка для РК в численном эксперименте МГО состоит из 18991 элемен-
тов (рис. 1).
Граничные условия
Для представления результатов определим режимы работы в отношении к оптимальному. Для
данного колеса оптимальным режимом является режим ϕ = 0,111. Перечень исследованных режимов
приведен в таблице [1].
Исследуемые режимы
Абсолютная величина расхода
Q , м3/с
Коэффициент подачи,
ϕ
Режим работы РК
в отношении к оптимальному
0,452 0,161 1,45Qопт
0,354 0,126 1,14Qопт
0,312 0,126 Qопт
В качестве граничных условий на входе в расчетную область задавалось давление, равное ат-
мосферному. Поток на входе задавался равномерным. Плотность жидкости 1000 кг/м3. В выходном
сечении соблюдался расход, заданный во входном сечении. Частота вращения РК n = 2200 об/мин.
Результаты ЧЕ и ФЭ представлены в безразмерном виде. Безразмерные меридианные скоро-
сти получались путем деления на среднюю меридианную скорость ( mm VV / ) в исследуемом сечении.
Сравнение результатов численных и физического экспериментов
Система отсчета при отображении результатов показана на рис. 2. Для эпюр величин вдоль
ширины колеса отсчет проводился от основного диска, как показано на рис. 2, а. При представлении
результатов в виде эпюр величин вдоль шага лопасти отсчет проводился от выходной кромки тыль-
ной стороны лопасти, как показано на рис. 2, б.
Рис. 2. Эскиз рабочего колеса:
а) – отсчет вдоль ширины РК; б) – отсчет вдоль шага лопасти РК
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/2 26
На рис. 3–8 представлены эпюры распределения безразмерных меридианных скоростей,
полученных в результате численного и физического экспериментов на радиусе R = 1,01R2.
Выводы
1. Результаты распределения безразмерных меридианных скоростей на выходе из РК, полу-
ченные численным экспериментом МГО, качественно согласуются с МКЭ и ФЭ. Вдоль средней ли-
нии (по длине) мерного сечения получено хорошее количественное согласование.
а)
б)
в)
Рис. 3. Изолинии безразмерных mm V/V меридианных скоростей,
полученных в результате ФЭ и ЧЭ для ϕ = 0,161:
а) – ФЭ; б) – МКЭ; в) – МГО
Рис. 4. Сравнение безразмерных mm V/V меридианных скоростей в сечении Z = b2/2,
полученных в результате ФЭ и ЧЭ для ϕ = 0,161
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/2 27
2. Отличия в характере распределений по высоте мерного сечения (направление вогнуто-
сти) и отличия вблизи тыльной стороны лопасти в ЧЭ МГО по сравнению с ЧЭ МКЭ и ФЭ, веро-
ятно, вызвано использованием в МГО модели потенциальной идеальной жидкости.
3. Геометрическая модель для расчета в МГО практически без дополнительных модификаций
может экспортироваться из различных CAD систем, что значительно ускоряет процесс выбора и ана-
лиза проектного решения.
а)
б)
в)
Рис. 5. Изолинии безразмерных mm V/V меридианных скоростей,
полученных в результате ФЭ и ЧЭ для ϕ = 0,126:
а) – ФЭ; б) – МКЭ; в) – МГО
Рис. 6. Сравнение изолиний безразмерных mm V/V меридианных скоростей
в сечении Z = b2/2, полученных в результате ФЭ и ЧЭ для ϕ = 0,126
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/2 28
4. В целом метод гидродинамических особенностей при моделировании макроструктуры
потока в элементах проточной части гидравлических машин позволяет получить качественно и
количественно удовлетворительные результаты и в общем случае он менее ресурсоемкий по срав-
нению с методом конечных элементов.
5. Результаты компьютерного моделирования, полученные в нестационарной постановке, мо-
гут быть успешно использованы для расчета различных турбулентных характеристик потока [3] и
а)
б)
в)
Рис.7. Изолинии безразмерных mm V/V меридианных скоростей,
полученных в результате ФЭ и ЧЭ для ϕ = 0,111:
а) – ФЭ; б) – МКЭ; в) – МГО
Рис.8. Сравнение изолиний безразмерных mm V/V меридианных скоростей
в сечении Z = b2/2, полученных в результате ФЭ и ЧЭ для ϕ = 0,111
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/2 29
являются граничными условиями для расчета вязкого течения (пограничного слоя) в пристеночных
областях.
Литература
1. Тестирование пакета CFX-5 на примерах течения воздуха в элементах проточных частей насосов специали-
зации ОАО «ВНИИАЭН». Ч.2. Моделирование течения воздуха в рабочем колесе центробежного насоса /
А. В. Елин, А. Н. Кочевский, С. О. Луговая, А. Е. Щеляев // Насосы&Оборудование. – 2006. – № 2 (37). –
С. 18–21.
2. Косторной, С. Д. Методологические аспекты построения модели турбулентности при численном решении
уравнений Рейнольдса / С. Д. Косторной, А. К. Давиденко, А. С. Косторной // Гервикон: Тр. 10-й междунар.
науч.-техн. конф.– Сумы. – 2002. – Т. 2. – С. 229–240.
3. Давиденко, А. К. Алгоритм побудови замкнутих моделей турбулентності при відривному обтіканні тіл /
А. К. Давиденко, А. С. Косторной, В. І. Пугач // Вісн. Сумськ. нац. аграр. ун-ту. – 2003. – № 10. – С. 29–33.
4. Косторной, С. Д. Выбор модели течения жидкости при проектировании лопастной гидравлической машины
/ С. Д. Косторной, Н. С. Мартынова // Вісн. Сумськ. держ. ун-ту. – 2012. – № 2. – С. 18–28.
Поступила в редакцию 02.10.15
А. С. Косторной, канд. техн. наук
ПАО «ВНИИАЭН» Научно-
исследовательский и проектно-
конструкторский институт атомного
и энергетического насосостроения,
г. Сумы,
e-mail: admin@vniiaen.sumy.ua
Ключові слова: проточна частина, відцен-
тровий насос, обернена задача проектуван-
ня, рівношвидкісний потік, квазіпотенційна
течія, в’язкість, ідеальна рідина.
УДК 621.67
КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ
НАСОСОВ
Розглянуто автоматизоване проектування проточної частини
відцентрового насосу, яке виконується на базі математичної
моделі течії ідеальної рідини для оберненої симетричної задачі
та прямої тривимірної задачі в нестаціонарній постановці з
урахуванням взаємного впливу всіх елементів. Результати
розв’язання оберненої задачі в автоматизованому режимі пе-
редаються як вхідні данні для розв’язання прямої задачі, на ос-
нові якої здійснюється оцінка проектного рішення.
Введение
На современном этапе развития насосостроения при достигнутом уровне коэффициента по-
лезного действия отдельных типов насосов порядка (70–90)%, дальнейшее повышение их эффектив-
ности в условиях рыночных отношений должно основываться на развитой теории и методах гидро-
динамических расчетов на базе ЭВМ.
Полученные таким образом результаты могут быть использованы для целенаправленного из-
менения и дальнейшего совершенствования гидродинамических показателей насоса: энергетических
и кавитационных характеристик, силовых нагрузок и нестационарных характеристик потока, что по-
зволит заменить физический эксперимент вычислительным и сократить сроки разработки.
Развиваемый новый теоретический подход к проектированию проточных частей (ПЧ) гидрав-
лических машин, который применительно к гидравлическим турбинам оказался успешным, в теории
центробежных насосов (ЦБН) и заводской практике их создания является новым научным направле-
нием.
Исходные уравнения двухпараметрических потоков в ПЧ
В ортогональной криволинейной системе координат q1, q2, q3 для стационарного трехмерного
потока каждая проекция вектора скорости v зависит от трех координат
V1 = f1(q1, q2, q3), V2 = f2(q1, q2, q3), V3 = f3(q1, q2, q3). (1)
© А. С. Косторной, 2015
|