Sfruttare i risultati del flusso passante per comprendere il comportamento idraulico con portate variabili
Sfide
La progettazione di turbomacchine idrauliche, come pompe centrifughe, ventilatori o turbine idrauliche, richiede il bilanciamento di un’ampia gamma di variabili in ingresso. I progettisti devono definire condizioni operative come la portata, la velocità di rotazione, la geometria della girante, il numero di palette e l’energia specifica (o prevalenza), tutti elementi interconnessi che influiscono in modo significativo sulle prestazioni. Questo complesso spazio di progettazione può risultare opprimente, soprattutto quando si cerca di ottimizzare l’efficienza idraulica, il consumo di potenza o la coppia, evitando al contempo la cavitazione o il calo delle prestazioni in condizioni non previste.
Anche in presenza di un obiettivo ben definito, come il raggiungimento di una determinata prevalenza o potenza, non è sempre facile stabilire se la combinazione di parametri di progetto selezionata sia ottimale. I progettisti spesso si affidano all’esperienza o a formule empiriche che, pur essendo utili, potrebbero non cogliere il quadro completo, soprattutto nel caso di applicazioni nuove o soggette a vincoli. Questa incertezza può portare a configurazioni non ottimali, che hanno prestazioni inferiori o richiedono una riprogettazione approfondita.
Soluzioni ingegneristiche
La progettazione di turbomacchine efficienti richiede strumenti veloci e affidabili, soprattutto nelle prime fasi di sviluppo. Vista TF (Throughflow), parte della suite ANSYS Workbench, è un solutore di curvatura delle linee di flusso progettato per valutare le file di pale radiali, come quelle presenti nelle pompe centrifughe, nei compressori radiali e nelle turbine, utilizzando un approccio quasi-1D.
Pur non offrendo tutti i dettagli della CFD 3D, Throughflow consente di effettuare rapidi studi parametrici delle geometrie delle giranti e dei punti di funzionamento. La sua modellazione semplificata, ma basata su dati fisici, consente agli ingegneri di valutare rapidamente un’ampia gamma di configurazioni, fornendo un feedback immediato su indicatori di prestazioni critici come prevalenza, coppia ed efficienza (sia di stadio che isentropica).
Per affrontare le sfide della navigazione in spazi di progettazione complessi, Throughflow offre un modo efficiente per valutare le tendenze delle prestazioni sulla base di calcoli di flusso 1D. Variando parametri come la portata massica o la geometria delle pale, i progettisti possono capire come questi input influenzino il comportamento idraulico. Ciò rende Throughflow uno strumento eccellente per lo screening in fase iniziale e il perfezionamento iterativo, aiutando gli ingegneri a concentrare i costosi sforzi della CFD 3D solo sui candidati più promettenti.
Metodi
Il processo di configurazione inizia nell’ambiente ANSYS Workbench trascinando e rilasciando il modulo Vista CPD, utilizzato per il dimensionamento di base delle pompe centrifughe. Nella prima fase, l’utente fornisce il punto di progetto richiesto, compresi input quali portata, prevalenza, velocità di rotazione e proprietà del fluido. Sulla base di queste condizioni, Vista CPD genera una geometria preliminare della girante e stima i parametri chiave delle prestazioni.
Una caratteristica unica di Vista CPD è che produce curve di efficienza in funzione della velocità specifica (Ωs) e la rapporto di diametro specifico (Q/N). Questi parametri non dimensionali generalizzano le caratteristiche di prestazione della girante:
- Ωs (velocità specifica): Si tratta di un parametro adimensionale legato alla portata (Q), alla velocità di rotazione (w), e testa (H). È comunemente utilizzata nella progettazione delle pompe per classificare il tipo di girante e prevedere la forma e le prestazioni dei passaggi di flusso. Nell’equazione, g è l’accelerazione di gravità.
- Q/N (coefficiente di flusso): Rappresenta il rapporto tra la portata e la velocità di rotazione e in questo contesto viene utilizzato per costruire famiglie di curve di prestazioni per diversi regimi di flusso. Qui N è la velocità di rotazione in giri/s e D è il diametro della girante. In Vista CPD è indicato come Q/N.
Pertanto, Vista CPD offre mappe di efficienza teoriche basate su coefficienti adimensionali come il coefficiente di flusso e la velocità specifica. Pur essendo utili come guida generale, queste mappe si basano su tendenze empiriche e non sono legate a una geometria specifica. Per valutare con maggiore precisione il progetto di una girante reale, Throughflow fornisce un’analisi quasi-1D basata sulla geometria effettiva delle pale e sulle condizioni di ingresso. Ciò consente una valutazione più affidabile delle metriche di prestazione, come la prevalenza e l’efficienza, attraverso una gamma di portate.
Risultati
Nella prima fase del processo, vengono definiti gli input iniziali del progetto all’interno di Vista CPD, come mostrato nella figura seguente. Questi input includono le condizioni operative, in particolare la portata massica, e le principali caratteristiche geometriche della girante. I parametri chiave riguardano i contorni del mozzo e del mantello, la forma e il posizionamento dei bordi d’attacco e d’uscita, il numero di pale e altre dimensioni critiche per il progetto di base della girante. Questa configurazione definisce un singolo punto di progetto, che viene poi utilizzato come geometria di partenza per la successiva valutazione delle prestazioni.
Quindi, il progetto viene trasferito in un nuovo modulo Throughflow, dove il solutore viene eseguito automaticamente e completato in pochi minuti. Una volta terminato il calcolo, l’utente può accedere alla cella dei risultati per visualizzare i principali risultati delle prestazioni. A questo punto sono disponibili i grafici dei contorni, che forniscono informazioni sul comportamento del flusso attraverso i canali della girante e su variabili quali la velocità, la pressione e il carico delle pale.
Si noti che il contorno della pressione suggerisce una distribuzione graduale, tranne che nella regione evidenziata. Inoltre, la velocità meridiana (Cm) mostra un aumento significativo in prossimità del bordo d’attacco, in particolare vicino al mozzo. Ciò suggerisce che la geometria dell’ingresso o la velocità di rotazione potrebbero causare una contrazione e un’accelerazione prematura del flusso. Questo andamento indica una distribuzione non uniforme del flusso in ingresso.
Sebbene questo comportamento non sia necessariamente problematico, evidenzia una regione critica della girante in cui lo squilibrio del flusso potrebbe portare a inefficienze o alla separazione del flusso in una simulazione 3D completa. L’identificazione precoce di questa zona con Throughflow fornisce indicazioni preziose per affinare la geometria dell’ingresso e guidare ulteriori analisi parametriche. Pertanto, possiamo anche eseguire un’analisi parametrica utilizzando la portata massica come parametro di ingresso e diverse efficienze come parametri di uscita.
- etap ss. Efficienza politropica dello stadio (statica-statica). Utilizza le pressioni statiche e le entalpie in ingresso e in uscita per valutare l’efficienza termodinamica dello stadio.
- etap ts. Efficienza politropica di stadio (totale-statica). Considera la pressione totale all’ingresso e la pressione statica all’uscita; utile quando l’energia cinetica all’ingresso è significativa.
- etap tt. Efficienza politropica di stadio (totale-totale). Valuta l’efficienza utilizzando le pressioni totali in ingresso e in uscita, cogliendo gli effetti dell’energia cinetica e potenziale.
- etas ss. Rendimento isentropico di fase (statico-statico). Confronta la variazione entalpica effettiva con la variazione isentropica ideale in condizioni statiche.
- etas ts. Rendimento isentropico di stadio (totale-statico). Utilizza le condizioni totali all’ingresso e statiche all’uscita; è adatto per stimare le perdite reali nei sistemi pratici.
- etas tt. Efficienza isentropica di stadio (totale-totale). Misura il rendimento complessivo ipotizzando un processo isentropico ideale tra gli stati di ingresso e di uscita totali.
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