Évaluation de l’efficacité des pompes à l’aide d’un modèle de débit 1D

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Exploiter les résultats de la modélisation du débit pour comprendre le comportement hydraulique à des débits variables

Défis

La conception de turbomachines hydrauliques, telles que les pompes centrifuges, les ventilateurs ou les turbines hydrauliques, implique d’équilibrer un large éventail de variables d’entrée. Les concepteurs doivent définir les conditions de fonctionnement telles que le débit, la vitesse de rotation, la géométrie de la roue, le nombre d’aubes et l’énergie spécifique (ou hauteur de chute), qui sont toutes interconnectées et affectent de manière significative les performances. Cet espace de conception complexe peut être écrasant, en particulier lorsque l’on cherche à optimiser l’efficacité hydraulique, la consommation d’énergie ou le couple tout en évitant la cavitation ou les baisses de performance dans des conditions hors conception.

Même avec un objectif bien établi, tel que l’obtention d’une certaine hauteur de chute ou d’une certaine puissance, il n’est pas toujours facile de déterminer si la combinaison de paramètres de conception choisie est optimale. Les concepteurs s’appuient souvent sur leur expérience ou sur des formules empiriques qui, bien qu’utiles, ne permettent pas toujours d’avoir une vue d’ensemble, en particulier dans le cas d’applications nouvelles ou limitées. Cette incertitude peut conduire à des configurations sous-optimales qui ne donnent pas les résultats escomptés ou qui nécessitent une refonte en profondeur.

Solutions d’ingénierie

La conception de turbomachines efficaces nécessite des outils à la fois rapides et fiables, en particulier dans les premières phases de développement. Vista TF (Throughflow), qui fait partie de la suite ANSYS Workbench, est un solveur de lignes de courant et de courbure conçu pour évaluer les rangées d’aubes radiales, telles que celles que l’on trouve dans les pompes centrifuges, les compresseurs radiaux et les turbines, à l’aide d’une approche quasi-dimensionnelle.

Bien qu’il n’offre pas tous les détails de la CFD 3D, Throughflow permet des études paramétriques rapides des géométries de roue et des points de fonctionnement. Sa modélisation simplifiée mais fondée sur des données physiques permet aux ingénieurs d’évaluer rapidement une large gamme de configurations et de fournir un retour d’information immédiat sur les indicateurs de performance critiques tels que la hauteur de chute, le couple et l’efficacité (à la fois par étage et isentropique).

Pour répondre aux défis de la navigation dans des espaces de conception complexes, Throughflow offre un moyen efficace d’évaluer les tendances de performance basées sur des calculs de flux 1D. En faisant varier des paramètres tels que le débit massique ou la géométrie des pales, les concepteurs peuvent se faire une idée de la manière dont ces données affectent le comportement hydraulique. Throughflow est donc un excellent outil pour les premières étapes de sélection et d’affinage itératif, aidant les ingénieurs à concentrer leurs efforts de CFD 3D coûteux sur les candidats les plus prometteurs.

Méthodes

Le processus de configuration commence dans l’environnement ANSYS Workbench en glissant et déposant le module Vista CPD, qui est utilisé pour le dimensionnement de base des pompes centrifuges. Dans la première étape, l’utilisateur fournit le point de conception requis, y compris les entrées telles que le débit, la hauteur, la vitesse de rotation et les propriétés du fluide. Sur la base de ces conditions, Vista CPD génère une géométrie préliminaire de la roue et estime les principaux paramètres de performance.

Vista CPD se distingue par le fait qu’il produit des courbes d’efficacité en fonction de la vitesse spécifique (Ωs) et la rapport de diamètre spécifique (Q/N). Ces paramètres non dimensionnels généralisent les caractéristiques de performance de la roue :

• Ωs (vitesse spécifique): Il s’agit d’un paramètre sans dimension lié au débit (Q), à la vitesse de rotation (w), et la tête (H). Elle est couramment utilisée dans la conception des pompes pour classer le type de roue et prédire la forme et les performances des passages d’écoulement. Dans l’équation, g est l’accélération de la gravité.
  
• Q/N (coefficient d’écoulement): Il représente le rapport entre le débit et la vitesse de rotation et, dans ce contexte, il est utilisé pour construire des familles de courbes de performance pour différents régimes d’écoulement. Ici, N est la vitesse de rotation en tr/min et D est le diamètre de la roue. Dans Vista CPD, ce rapport est représenté par Q/N.
  

Vista CPD propose donc des cartes de rendement théorique basées sur des coefficients sans dimension tels que le coefficient de débit et la vitesse spécifique. Bien qu’utiles pour une orientation générale, ces cartes reposent sur des tendances empiriques et ne sont pas liées à une géométrie spécifique. Pour évaluer plus précisément la conception d’une roue réelle, Throughflow fournit une analyse quasi-1D basée sur la géométrie réelle des pales et les conditions d’entrée. Cela permet une évaluation plus fiable des paramètres de performance, tels que la hauteur de charge et l’efficacité, à travers une gamme de débits.

Résultats

Dans la première étape du processus, les entrées de conception initiales sont définies dans Vista CPD, comme le montre la figure ci-dessous. Ces données comprennent les conditions de fonctionnement, notamment le débit massique, ainsi que les principales caractéristiques géométriques de la roue. Les paramètres clés comprennent les contours du moyeu et de la virole, la forme et le positionnement des bords d’attaque et de fuite, le nombre d’aubes et d’autres dimensions critiques pour la conception de base de la roue. Cette configuration définit un point de conception unique, qui est ensuite utilisé comme géométrie de départ pour l’évaluation ultérieure des performances.

La conception est ensuite transférée dans un nouveau module Throughflow, où le solveur s’exécute automatiquement et s’achève en quelques minutes. Une fois le calcul terminé, l’utilisateur peut accéder à la cellule de résultats pour visualiser les performances clés. À ce stade, des tracés de contour deviennent disponibles, donnant un aperçu du comportement de l’écoulement à travers les canaux de la roue, ainsi que des variables telles que la vitesse, la pression et la charge des pales.

Notez que le contour de la pression suggère une distribution graduelle, sauf dans la région mise en évidence. En outre, la vitesse méridienne (Cm) montre une augmentation significative près du bord d’attaque, en particulier près du moyeu. Cela suggère que la géométrie de l’entrée ou la vitesse de rotation peut entraîner une contraction et une accélération prématurées de l’écoulement. Un tel schéma indique une distribution non uniforme du flux entrant.

Bien que ce comportement ne soit pas nécessairement problématique, il met en évidence une région critique de la roue où le déséquilibre de l’écoulement pourrait éventuellement conduire à des inefficacités ou à une séparation de l’écoulement dans une simulation 3D complète. L’identification précoce de cette zone à l’aide du Throughflow fournit des informations précieuses pour affiner la géométrie de l’entrée et guider une analyse paramétrique plus poussée. Par conséquent, nous pouvons également effectuer une analyse paramétrique en utilisant le débit massique comme paramètre d’entrée et différentes efficacités comme paramètres de sortie.

• etap ss. Rendement polytropique de l’étage (statique-statique). Utilise les pressions et enthalpies statiques à l’entrée et à la sortie pour évaluer l’efficacité thermodynamique de l’étage.
• etap ts. Efficacité polytropique (totale-statique). Prend en compte la pression totale à l’entrée et la pression statique à la sortie ; utile lorsque l’énergie cinétique à l’entrée est importante.
• etap tt. Efficacité polytropique par étapes (total-total). Évalue l’efficacité en utilisant les pressions totales à l’entrée et à la sortie, en tenant compte des effets de l’énergie cinétique et potentielle.
• etas ss. Rendement isentropique par étape (statique-statique). Compare le changement d’enthalpie réel au changement isentropique idéal dans des conditions statiques.
• etas ts. Rendement isentropique par étape (total-statique). Utilise les conditions totales à l’entrée et statiques à la sortie ; convient pour estimer les pertes réelles dans les systèmes pratiques.
• etas tt. Rendement isentropique par étape (total-total). Mesure la performance globale en supposant un processus isentropique idéal entre les états d’entrée et de sortie totaux.

Regardez la vidéo complète pour savoir comment configurer le modèle et vérifier les résultats afin d’accélérer la conception des pompes à un stade précoce et de révéler les principales tendances en matière de performances.

Avantages de la solution Ansys

La modélisation CFD démontre son potentiel pour optimiser et évaluer les structures hydrauliques grâce aux solutions avancées d’Ansys. Pour le prétraitement, Ansys SpaceClaim et Discovery Modeling facilitent la création et la préparation de la CAO, tandis qu’Ansys Fluent et CFX relèvent divers défis de simulation. Les outils de post-traitement haute fidélité, comme Ansys Ensight, analysent et visualisent efficacement de vastes ensembles de données.

En outre, les résultats de la CFD peuvent être intégrés aux analyses structurelles dans des scénarios d’interaction fluide-structure (FSI), avec l’aide d’Ansys Mechanical et de LS-Dyna. Des techniques telles que les plans d’expériences (DOE) et l’optimisation avancée sont facilitées par DesignXplorer et Ansys OptiSlang au sein de la plateforme Workbench. Ansys propose également des licences HPC et des capacités GPU pour le traitement parallèle de modèles complexes, garantissant ainsi des évaluations approfondies.

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