1. завдання
2. труднощі
3. результати

Галузь: Суднобудування | продукт: pSeven | компанія: Криловський державний науковий центр (КГНЦ)

завдання

Даний приклад присвячений інженерним дослідженням в галузі суднобудування, а саме розробці технології оптимізації форми гребного гвинта (ГВ) на прикладі рішення задачі збільшення його коефіцієнта корисної дії (ККД) на заданому режимі ходу судна при строго фіксованих обмеженнях за показниками упору на лопатях рушія, моменту на валу рушія і тиску в області обертання рушія.

Введемо деякі співвідношення, використовувані при проектуванні рушіїв. Зазвичай застосовуються безрозмірні характеристики упору і моменту гребного гвинта:

\ (K_ {T} = \ frac {T} {ρn ^ 2D ^ 4} \),

\ (K_ {Q} = \ frac {Q} {ρn ^ 2D ^ 5} \),

де \ (T \) - упор ГВ (Н), \ (Q \) - момент ГВ (Нм), \ (ρ \) - щільність рідини (кг / м3).

Коефіцієнт корисної дії гвинта визначається наступним чином:

\ (Η_ {0} = \ frac {K_ {T}} {K_ {Q}} \ frac {J} {2π} \),

де \ (J \) - відносна хода ГВ, є основною безрозмірною кінематичної характеристикою рушія, що визначає режим його роботи в рідини.

Форма розглянутої моделі гребного гвинта показана на малюнку 1.

Малюнок 1. Вид досліджуваної моделі гребного гвинта в плані

труднощі

• Велике число параметрів, що описують лопать гребного гвинта (понад 100).
• Неможливість отримувати в автоматичному режимі твердотельную параметричну модель гребного гвинта стандартними засобами поширених CAD-систем.
• Недостатньо вивчений вплив параметрів, що описують гребний гвинт, на його гідродинамічні характеристики.
• Відсутність достатньої кількості напрацювань і рекомендацій щодо створення простих і ефективних технологічних ланцюжків для оптимізації форми суднових рушіїв.

Рішення

Для подолання вищезазначених труднощів і ефективної оптимізації гребного гвинта була розроблена спеціалізована програма для параметризації і побудови геометрії рушіїв Flypoint Parametrica. Завдяки цій розробці, кількість параметрів скоротилося до 23, а геометрична модель тепер має всі потрібні асоціативні зв'язки, щоб при зміні параметрів правильно перебудувати всі деталі в автоматичному режимі.

Для чисельного моделювання обтікання гребного гвинта використаний комерційний пакет обчислювальної гідродинаміки STAR-CCM +. Побудована гексаедральная розрахункова сітка розмірністю 200 000 осередків. Завдання вирішена в стаціонарній постановці з використанням усереднених по Рейнольдсу рівнянь Нав'є-Стокса методом кінцевих обсягів (Малюнок 2).

Малюнок 2. CFD моделювання вихорів за гребним гвинтом в STAR-CCM +

Для оптимізації моделі ГВ обрана хода, що відповідає максимальному значенню ККД. В даній точці відхилення від експериментальних даних для \ (K_ {T} \) лежать в межах 1.8%, для \ (K_ {Q} \) - в межах 8.3%, для \ (η_ {0} \) - в межах 3.7 %.

З огляду на порівняно невелику для чисельного моделювання число розрахункових осередків, а також те, що метою ісслудованія є оптимізація форми моделі ГВ, дані відхилення прийняті прийнятними для подальшої роботи. Однак, необхідно відзначити, що для досліджуваного гребного гвинта сіткова збіжність настає на сітці в 26 000 000 осередків, тому отримані результати доцільно перевіряти саме на цій сітці.

Крім того, безпосередньо перед процесом оптимізації було встановлено, що такі параметри, як крок і кривизна лопаті гребного гвинта мають найбільший вплив на гідродинамічних характеристики. Досягнуті результати дозволили сформулювати умови для подальшої оптимізації форми моделі гребного гвинта в однорідному потоці на режимі максимального ККД (табл.1):

Таблиця 1. Умови завдання оптимізації моделі ГВ

Цільова функція Підвищення \ (η_ {0} \) на заданому режимі Алгоритм оптимізації Оптимізація на основі метамоделей Керовані параметри Крок ГВ (3 параметри), кривизна лопаті ГВ (2 параметра) Обмеження \ (T≥T_ {прототип} \), \ ( Q≤Q_ {прототип} \), \ (P_ {min} ≥P_ {minпрототіп} \)

Тут \ (P_ {min} \) - мінімальний тиск в області обертання рушія (Па) .Задачи однокритерійним оптимізації з обмеженнями була вирішена за допомогою програмного комплексу pSeven . Оптимізаційна ланцюжок проілюстрована на малюнку 3. У зелених лініях зображено зміст композитного блоку. Усередині цього блоку відбувається побудова геометрії засобами Flypoint Parametrica і чисельне рішення задачі гідродинаміки в STAR-CCM +. Далі композитний блок взаємодіє з блоком оптимізації, обмінюючись керованими параметрами, значеннями цільової функції і обмеженнями.

Малюнок 3. Розрахункова схема оптимізації ГВ в pSeven

Після закінчення кожного циклу роботи композитного блоку виконувався автоматичний перенос отриманих даних безпосередньо в оптимізатор, який за допомогою алгоритму оптимізації на основі метамоделей вирішував поставлену задачу. Даний алгоритм має перевагу в швидкості знаходження рішення в порівнянні з поширеними на сьогоднішній день алгоритмами генетичної оптімізаціі.Расчетная схема є циклічною, а кількість циклів вибирається автоматично на основі кількості цільових функцій і параметрів в задачі. У нашому випадку для однієї цільової функції і 5 керованих параметрів було вибрано 188 циклів при ступеня глобалізації алгоритму рівній 0.5 (за замовчуванням).

результати

Результати оптимізації форми гребного гвинта в однорідному потоці в програмному комплексі pSeven представлені в таблиці 2 в абсолютних і відносних величинах. На малюнку 4 показаний профіль перетину лопаті ГВ на відносному радіусі r / R = 0.7 до і після оптимізації.

Таблиця 2. Результати оптимізації

Початкові значення Результат оптимізації Порівняння, Δ \ (P_ {min} \) -135.6 -128.03 + 5.9% \ (K_ {T} \) 0.172 0.176 + 2.3% \ (10K_ {Q} \) 0.4064 0.4061 -0.1% \ ( η_ {0} \) 0.601 0.616 + 1.5%

Тут \ (ΔP_ {min} = \ frac {P_ {minopt} -P_ {min}} {P_ {min}} 100 \% \),

\ (ΔK_ {T} = \ frac {K_ {Topt} -K_ {T}} {K_ {T}} 100 \% \),

\ (Δ10K_ {Q} = \ frac {10K_ {Qopt} -10K_ {Q}} {10K_ {Q}} 100 \% \),

\ (Δη_ {0} = (η_ {0opt} -η_ {0}) 100 \% \).

Значення \ (K_ {T} \) і \ (K_ {Q} \) розраховувалися для лопатей і галтелів прототипу гвинта.

Малюнок 4. Профіль лопаті моделі ГВ на відносному радіусі r / R = 0.7 до і після оптимізації

Результати оптимізації були отримані на грубій (200 000 осередків) і на докладної (26 000 000 осередків) сітках, на основі яких побудовані графіки розподілу параметрів кроку лопаті і кривизни лопаті гребного гвинта. Оптимізація із застосуванням методів обчислювальної гідродинаміки, як правило, є дуже ресурсномістких процесом, що вимагає незрівнянно більших витрат за часом, на відміну від стандартного розрахунку. У зв'язку з цим, була досліджена можливість економії ресурсів суперкомп'ютера в рамках вирішення даної задачі.На малюнках 5-6 показані розподілу параметрів кроку і кривизни моделі гребного гвинта за відносними радіусів лопаті r / R. Можна помітити, що криві оптимізованих гребних гвинтів лежать близько один до одного і мають однаковий характер розподілу. Це означає, що pSeven підібрав близькі за значеннями параметри ГВ і, отже, з'явилася можливість проводити оптимізацію на грубій розрахункової сітці, а результат перераховувати на докладної, використовуючи для цього всього один розрахунок обтікання замість більш ніж сотні подібних розрахунків. Таким чином економиться значна кількість ресурсів суперкомп'ютера, і оптимізація гребного гвинта стає доступнішим.

Малюнок 5. Розподіл параметрів кроку ГВ за відносними радіусів r / R

Малюнок 6. Розподіл параметрів кривизни ГВ за відносними радіусів r / R

Любов Лавріщева, Інженер, КГНЦ