Проекты

Проектирование вентиляторов методом вычислительной аэродинамики

Вентиляторы широко применяются в промышленности и в быту, от охлаждения миниатюрных микросхем до создания течения в огромных исследовательских аэротрубах. Когда возникает потребность в установке вентилятора для той или иной системы, выбор производится исходя из ассортимента находящихся в доступности вентиляторов с точки зрения приобретения или изготовления. Несмотря на большое количество производимых вентиляторов различных типов, с различными параметрами и характеристиками, далеко не всегда можно подобрать подходящий вентилятор, соответствующий требованиям, которые к нему предъявляются. При этом даже наиболее дорогие и совершенные вентиляторы могут не обеспечивать высокую эффективность на всех режимах работы из-за специфики работы и регулирования всей системы в целом. Так, например, они могут не обеспечивать высокую эффективность вентилятора на нескольких режимах эксплуатации или высокую эффективность в требуемом диапазоне расходов.

В случае раздельного приобретения движителя (колеса с лопастями) и двигателя может возникнуть иная проблема. Так, например, электродвигатель и вентилятор могут быть рассчитаны на разные рабочие частоты вращения, и в таком случае потребуется установка редуктора, что приведет к утяжелению и усложнению конструкции, снижению ее надежности и эффективности. 

Проектирование вентилятора с нуля под конкретную задачу позволит избежать подобных проблем, и этот подход может быть самым актуальным при создании сложных технических систем. Учёт рабочих параметров силового оборудования упростит согласование совместной работы с вентилятором, позволит отказаться от дополнительных элементов и, как следствие, от дополнительных потерь при передаче энергии вентилятору. Примененный инженерами АО «ЦИФРА» подход при проектировании вентиляторов обеспечивает высокую эффективность на требуемых режимах эксплуатации, а моделирование вентилятора методами вычислительной газодинамики (CFD-моделирование) позволяет получить подтверждение заявленных показателей в реальных условиях.

Этапы проектирования вентилятора

Прежде всего производится выбор двигателя для привода вентилятора. Двигатель определяет энергопотребление системы, то есть затраты на эксплуатацию. Проектирование вентилятора осуществляется с учётом параметров двигателя.

Второй этап предполагает определение геометрической формы проточной части и лопаточного аппарата вентилятора, исходя из заданных параметров течения и габаритных размеров вентилятора. В качестве исходных данных выступают параметры потока, которые необходимо обеспечить вентилятору на том или ином режиме, а также частота вращения и максимальная допустимая мощность вентилятора в соответствии с параметрами двигателя. В результате проектировочного расчета, проводимого с помощью программного обеспечения Ansys (BladeModeler, Vista TF и другие), создается геометрическая модель вентилятора, которая затем используется на последующих этапах. 

Рисунок 1 – Модель рабочих лопаток вентилятора в Ansys BladeModeler

Третий этап выступает в качестве поверочного расчета. Он позволяет с помощью CFD-моделирования подтвердить эффективность вентилятора и определенные на первом этапе параметры – расход, напор, мощность вентилятора. Моделирование проводится в изолированной постановке, то есть вне системы, для которой предназначается проектируемый вентилятор. Это позволяет исключить влияние на вентилятор внешних факторов и оценивать исключительно сам агрегат и результаты расчетов первого этапа. При этом исследуется как аэродинамическая эффективность проточной части лопаточного аппарата, так и реальные показатели работы вентилятора с учётом формы и размера канала, в котором он установлен. 

Рисунок 2 – Визуализация CFD-моделирования вентилятора

Последующий этап также подразумевает CFD-моделирование, только постановка задачи включает в себя все элементы системы, в которой функционирует вентилятор. Это могут быть сети трубопроводов, охлаждаемое оборудование, вентилируемые помещения. На данном этапе проводятся высоко детализированные расчеты газодинамики, позволяющие оценить работу вентилятора в реалистичных условиях, работу всей системы в целом и влияние элементов системы на вентилятор. Исследуются частичные режимы работы вентилятора, характерные для рассматриваемой системы. 

По результатам моделирования проводится анализ течения внутри системы, выявляются отрывы потока, нестабильности и неравномерность распределения скорости, температуры и давления в потоке. На основе анализа может быть выполнена корректировка расчета по первому этапу либо сформированы рекомендации по оптимизации системы для повышения эффективности течения.

На заключительном этапе для проектируемого вентилятора осуществляется подбор материала, в первую очередь для изготовления лопаток. Затем проводится прочностной расчет лопаток вентилятора при нагружении их давлением со стороны потока газа, центробежными силами и гравитационными силами. При необходимости могут быть проведены дополнительные исследования по определению оптимальных конструкции вентилятора и его материалов. Подробнее о выборе материала можно узнать в статье «Анализ и выбор композиционного материала для производства вентиляторной лопасти»

Рисунок 3 – Визуализация перемещений и напряжений для рабочей лопатки вентилятора

Данный подход позволяет сделать то, что невозможно учесть при выборе серийного вентилятора – оценить работу вентилятора в условиях эксплуатации – в системе, для которой он предназначен. Компьютерное моделирование с применением методов вычислительной газодинамики значительно экономичней экспериментального исследования, благодаря чему доступно многовариантное проектирование, которое в результате приводит к созданию высокоэффективного агрегата для заданных условий эксплуатации. Анализ течения в условиях эксплуатации позволяет обнаружить дополнительные возможности по оптимизации системы путём, например, изменения формы тракта или расположения оборудования.

Стоимость изготовления единичного экземпляра спроектированного вентилятора выше, чем производимых серийно, однако экономический эффект, который произведёт специально подобранный для определенной системы вентилятор, может значительно превзойти разницу в стоимости в процессе эксплуатации. Так, для крупных исследовательских, коммерческих и спортивных аэротруб мощность установленных вентиляторов исчисляется сотнями киловатт и даже мегаваттами, и повышение КПД не только вентилятора, но и передачи энергии от двигателя вентилятору на несколько процентов даёт значительную выгоду за счёт экономии электроэнергии и понижает стоимость владения и эксплуатации в рамках всего жизненного цикла системы. 

Инженерами АО «ЦИФРА» с применением вышеописанного подхода выполнен проект по проектированию вентилятора для спортивной аэротрубы. Проектирование вентилятора на основе CFD-моделирования позволило разработать вентилятор, обеспечивающий требуемую скорость воздушного потока в широком диапазоне режимов, что очень важно для подобных установок, так как скорость потока постоянно регулируется оператором в зависимости от массы летающего человека, количества людей в полетной зоне и даже стиля полёта. Частота вращения вентилятора подобрана в соответствии с частотой вращения электродвигателя, выбранного заказчиком, что позволило отказаться от редуктора, тем самым обеспечив высокую эффективность работы вентилятора. Прочностной расчет показал достаточный запас прочности лопаток вентилятора при подобранном в ходе исследований материале.

Рисунок 4 – Модель спортивной аэротрубы

Также проведено исследование уже существующего вентилятора, у которого за время эксплуатации деформировались рабочие лопатки закрученной формы, что привело к ухудшению аэродинамических характеристик системы. Форма лопатки была отсканирована и использована при создании трёхмерной модели вентилятора. По результатам CFD-моделирования заказчику выданы рекомендации по оптимизации системы путём изменения угла установки лопаток.

Таким образом, проектирование вентилятора средствами численного моделирования (CFD) создаёт основу для создания высокоэффективного вентилятора, удовлетворяющего предъявляемым к нему требованиям и обладающего высокой экономичностью при эксплуатации.

Связанные новости
Отличная новость: мы открываем осенний набор в программу стажировки молодых инженеров. Стать участниками стажировки смогут студенты технических специальностей, обучающиеся в вузах Санкт-Петербурга: СПбПУ Петра Великого, БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова, СПбГУ, СПбГМТУ, Университет ИТМО. На стажировку принимаются студенты старших курсов: от четвертого и выше. Дата окончания приема заявок — 5 ноября 2021 года.
На нашем YouTube-канале вышли ещё два новых интервью с сотрудниками компании. Серафим Булов – один из молодых специалистов, который начал карьеру в АО «ЦИФРА» в 2021 году после прохождения стажировки - рассказал о том, почему выбрал именно нашу компанию и как пришел в профессию. Сегодня специалист работает над проектированием и оптимизацией судовых палубных конструкций, выполняет прочностные расчеты оборудования АЭС и машиностроительных конструкций.
Связанные публикации в блоге
Открытие летних веранд ресторанов способствует увеличению количества посадочных мест и привлекательности со стороны клиентов в летний период. В условиях ограничительных мер в связи с эпидемией коронавируса это также возможность продолжать работу, избегая вынужденных простоев. На большей части территории России летний сезон, к сожалению, короткий и не всегда достаточно тёплый, в связи с этим экономический эффект от организации открытых веранд оказывается недостаточно велик, а сами веранды зачастую не пользуются большой популярностью из-за погодных условий. Использование различных типов обогревателей для создания комфортных условий для посетителей и продления сезона работы открытых веранд – достаточно распространённый способ решения этих проблем.
Архитекторы, инженеры и другие специалисты строительной отрасли сталкиваются с растущим на них давлением, по вопросам соответствия стандартамэнергоэффективности и понижения уровня выбросов углекислого газа при сохранении затрат. Значительное ускорение процесса проектирования зданий при наименьших затратах наилучшим образом достигается за счёт использования новых технологий. Появившийся класс инструментов на базе численного моделирования, моделирование зданий и моделирование физических процессов достигли новых высот скорости и точности, совершенствуя процесс проектирования зданий и другие рабочие процессы с помощью новых возможностей. Численное моделирование открывает мир моделирования для фирм любого размера, работающих над проектами любого масштаба.
Связанные вебинары
АО "ЦИФРА" объявляет о проведении серии лекций-вебинаров от ведущих приглашенных экспертов в области численного моделирования. В ходе первого вебинара данной серии будут рассмотрены вопросы прочностного анализа «легких» (lightweight) композитных конструкций при динамическом нагружении с использованием явных решателей (сеточного и бессеточного) ПО LS-DYNA.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.