Как программа симуляции и инженерного анализа SimScale помогла ускорить создание цифровых прототипов при проектировании насосов
При проектировании и анализе вращающегося оборудования предъявляются высокие требования к эффективности, долговечности и надежности.
С учетом этих целей в отрасли производства вращающегося оборудования широко применяется цифровое прототипирование для изучения большего пространства для проектирования, что помогает снижать затраты при разработке новых изделий. Но слишком долго компании были ограничены в получении максимальных преимуществ от цифрового прототипирования из-за ограничений устаревшего программного обеспечения, и компания Hazleton Pumps не стала исключением.
Южно-Африканская компания Hazleton Pumps разрабатывает и производит насосы и насосные системы для тяжелых условий эксплуатации. Расположенная в Южной Африке, компания обслуживает клиентов со всего мира с 1979 года.
Для проектирования и анализа насосов компания Hazleton использовала программное обеспечение OpenFOAM для вычислительной гидродинамики (CFD) и набор инструментов для автоматизированного проектирования (САПР), построения сетки и результатов постобработки. Их рабочий процесс моделирования был трудоемким и громоздким, каждый шаг требовал огромных ручных усилий. Время и стоимость проекта еще больше увеличились из-за вычислений на настольных компьютерах, которые не масштабировались по требованию и требовали дополнительных инвестиций в высокопроизводительные кластеры.
Нуждаясь в дополнительном дизайне и решении CAE, Hazleton обратилась к компанеии Onshape и SimScale. В этой статье показано, как их ориентация на облачные решения позволила компании Hazleton Pumps получить быстрые и точные оценки расхода жидкости и производительности при разработке насосов.
SimScale — программный пакет, предназначенный для инженерного анализа и симуляции физических процессов, и основанный на облачных вычислениях. Платформа SimScale разработана немецкой компанией SimScale GmbH и поддерживает расчётные методы, включая метод конечных элементов, вычислительную гидродинамику и термодинамику.
Параметрические исследования для характеристик насоса
После малоуспешного опыта использования OpenFOAM, технический директор Hazleton Бенджамин ван дер Уолт в октябре 2021 года обратился к SimScale, партнера по моделированию Onshape. Бенджамин исследовал три насоса, используя наитивную облачную технологию SimScale для вращающихся машин, которая способна решать сложные задачи физики жидкости для различных режимов скоросоти, со структурными и тепловыми эффектами или без них.
В данном примере будут рассмотрены CFD-исследования для насосов малого и среднего размера, смоделированных с использованием несжимаемого стационарного подхода и модели турбулентности на основе RANS. Основная цель моделирования заключалась в точном расчете и сравнительной оценке производительности двух конструкций насосов.
Пример 1:
Первый насос, исследованный Hazleton, был погружным насосом массой 180 кг и мощностью 5,5 кВт, как показано ниже.
С помощью моделирования в SimScale они хотели установить базовую линию для нового рабочего колеса, используемого в этом насосе, и изучить усовершенствования конструкции путем анализа кривой производительности насоса. Обычно кривая насоса требует моделирования минимум шести точек входных данных.
По опыту Бенджамина, генерирование решения для одной точки входных данных с использованием переходного AMI-подхода OpenFOAM на локальной высокопроизводительной вычислительной машине занимало от трех до шести дней. При использовании стационарного подхода MRF это время изменилось примерно до 9-15 часов. Это означает, что построение кривой насоса с шестью точками данных занимало до месяца и создавало более терабайта данных.
Используя облачную технологию SimScale для вращающегося оборудования, компания Hazleton Pumps смогла создать всю кривую насоса для этой модели за семь минут, что на 99,9% сокращает время моделирования по сравнению с OpenFOAM.
Пример 2
При проектировании вращающегося оборудования точность решения имеет первостепенное значение и не может быть принесена в жертву ради скорости. Чтобы убедиться в точности быстрых результатов, полученных с помощью SimScale, компания Hazleton смоделировала вторую модель - вертикальный насос среднего размера мощностью 75 кВт.
Компания Hazleton испытала насос на собственном испытательном стенде и получила данные о его производительности. Схема моделирования в SimScale была точно такой же, как и при испытаниях, с учетом всех компонентов насоса, таких как вход, рабочее колесо, улитку и напор. С учетом производственных различий и поправки на потери напора, наблюдаемые в трубах, результаты кривой насоса, полученные в SimScale, были в пределах 2-3% погрешности от практических испытаний на стенде, как показано ниже.
Помимо ускорения сроков выполнения точного моделирования вращающегося оборудования, запатентованная технология SimScale также значительно улучшила рабочий процесс моделирования в Hazleton.
При использовании OpenFOAM рабочий процесс Бенджамина был чрезвычайно сложным, и он обнаружил, что результаты очень чувствительны к постановке задачи и сетке, а значит, непредсказуемы. На каждом этапе процесса ему приходилось полагаться на множество инструментов. Например, он использовал Blender для предварительной обработки, ParaView для визуализации результатов и Excel для анализа данных.
Благодаря браузерной платформе SimScale Бенджамин мог выполнять все этапы моделирования плавно, не выходя из простого в использовании интерфейса. Начиная с CAD-модели, он мог генерировать сетку, настраивать входы моделирования, параллельно запускать параметрическую развертку и автоматически строить кривую насоса.
Продолжение сотрудничества Hazleton и SimScale
Компания Hazleton Pumps включила запатентованную технологию CFD для вращающегося оборудования SimScale в свой цикл исследований и разработок с целью ускорения проектирования собственных насосов на основе моделирования.
Выводы
Используя преимущества облачной архитектуры моделирования SimScale и передачи данных в Onshape и обратно, компания Hazleton смогла генерировать кривые производительности насоса в течение нескольких минут, сократив время выполнения моделирования в ~100 раз по сравнению с ранее используемыми инструментами. Они также провели сравнительный анализ результатов, полученных с помощью SimScale, с экспериментальными данными, полученными на их испытательной базе, и обнаружили, что наш запатентованный решатель обладает высокой точностью и находится в пределах 2-3% от данных испытаний. Получив возможность размещать симуляции и соответствующие данные в облаке, компания Hazleton полностью исключила расходы на высокопроизводительные вычисления (HPC) и управление данными. Кроме того, рабочий процесс моделирования был значительно упрощен благодаря браузерному интерфейсу программного обеспечения SimScale "все в одном", доступ к которому можно получить из любой точки мира с помощью простого входа в систему.
Благодаря такой колоссальной экономии времени и затрат, компания Hazleton теперь может сосредоточиться на проектировании и строительстве лучших насосов, намного быстрее, чем раньше.