2011-06-10

Wdrażanie najnowszych metod obliczeniowych w proces projektowania pomp do ścieków i cieczy zanieczyszczonych

Przystąpienie w 2004 r. Polski do Unii Europejskiej spowodowało potrzebę przeprowadzenia wielomiliardowych inwestycji w infrastrukturę wodociągowo-kanalizacyjną. Powodowane jest to zwiększeniem wymagań jakościowych stanu środowiska, wynikających z wprowadzenia unijnych standardów. Szacuje się, że do 2015 r. w około 1500 miastach i gminach konieczna jest budowa, rozbudowa i modernizacja oczyszczalni ścieków komunalnych i systemów kanalizacji zbiorczej. Przedstawiona w 2009 roku Aktualizacja Krajowego Programu Oczyszczania Ścieków Komunalnych AKPOŚK 2009, wskazuje, że plan budowy sieci kanalizacyjnej, obejmującej aglomeracje priorytetowe, to 30,6 tys. km nowej infrastruktury oraz 2,9 tys. km modernizacji przestarzałych obiektów. Istotnym jest wyposażenie modernizowanych i nowopowstałych obiektów w nowoczesne, o niskiej energochłon-ności i małej awaryjności pompy i systemy przesyłu ścieków. Wdrożenie najnowszych systemów wspomagania projektowania CAD/CAM i numerycznych metod obliczeniowych układów przepływowych CFX/CFD, prowadzi nie tylko do skrócenia czasu i kosztów budowy prototypu, ale przede wszystkim daje możliwość wieloparametrowej optymalizacji nowych rozwiązań.
Priorytetowymi parametrami nowoprojektowanych układów przepływowych pomp do ścieków jest uzyskanie niskiej energochłonności transportu cieczy, przy zachowaniu odpowiednio dużych swobodnych przelotów przez wirnik i spiralny kanał zbiorczy. Jest to w szczególności niezbędne podczas transportu ścieków komunalnych, zawierających domieszki ciał stałych i długowłóknistych oraz hydrotransportu w układach rolno-spożywczych i przemysłowych. Kolejnymi ważnymi parametrami jest zachowanie stateczności charakterystyki przepływu, co umożliwia płynną regulację układu oraz uzyskanie dobrych własności antykawitacyjnych, szczególnie istotnych podczas pracy pompy ze zmiennym poziomem lustra cieczy w zbiorniku czerpnym.

Podstawowe problemy wdrażania metod numerycznych do procesu projektowania układów przepływowych

Wdrażanie najnowszych metod obliczeniowych ANSYS CFX i ANSYS Fluent (dawniej Fluent CFD) w proces projektowania kanałów przepływowych pomp odśrodkowych jest procesem złożonym. Związane jest to z nie do końca opisanym matematycznie turbulentnym przepływem cieczy lepkiej, na bazie którego powstały algorytmy obliczeniowe dostępnych na rynku programów obliczeniowych. Kolejnym trudnym zagadnieniem jest wzajemne oddziaływanie oraz właściwa interpretacja przepływu cieczy na granicy obracającego się wirnika i stacjonarnego elementu odprowadzenia cieczy. Wszystko to powoduje, różne wartości błędów stosowanych metod numerycznych, w zależności od wybranego sposobu obliczeń (uwzględnienie lub pominięcie czasu), stopnia złożoności modelu obliczeniowego (symulacja odosobnionego wirnika lub wirnika i spirali bądź kierownicy łopatkowej) oraz zadanych parametrów pracy.

Przedmiot analiz

Wdrażanie numerycznych metod obliczeniowych pakietu ANSYS zostanie zaprezentowane na przykładzie nowoczesnej pompy do cieczy zanieczyszczonych FZB.7 produkcji Hydro-Vacuum S.A. Analizowana jednostka, zagregowana z silnikiem wentylatorowym, jest przeznaczona do pompowania ścieków komunalnych i przemysłowych, wody czystej, brudnej, deszczowej oraz drenażowej. W szczególności znajduje ona zastosowanie w pompowaniu ścieków nieoczyszczonych, zawierających domieszki ciał stałych i długowłóknistych, a także cieczy zawierających powietrze i gazy. Układ przepływowy badanej pompy składa się z wirnika wyposażonego w trzy prostookreślne łopatki oraz spiralny kanał zbiorczy.

Rys.1. Agregat pompowy do ścieków i cieczy zanieczyszczonych FZB.7 produkcji Hydro-Vacuum S.A.

Obliczenia numeryczne

Obliczenia numeryczne przeprowadzono jako stacjonarne z uwzględnieniem elementu odprowadzenia cieczy (spirali). W wyniku symulacji numerycznych wyznaczono podstawowe parametry energetyczne dla wydajności: 0.75, 1.0 i 1.25 wartości przepływu optymalnego (Qopt) i porównano je z wynikami uzyskanymi na stanowisku pomiarowym.

Rys.2. Charakterystyki energetyczne pompy do ścieków FZB.7

Błąd metod numerycznych dla wydajności optymalnej (Qopt = 650 m3/h) jest nie większy niż 2% wartości oczekiwanej. Natomiast, dla wydajności różnych od optymalnego przepływu, w szczególności mniejszej, błąd wzrasta. Powodowane jest to głównie obniżeniem wysokości podnoszenia generowanej w symulowanym układzie przepływowym. W celu wyjaśnienia przyczyn obserwowanych różnic przeanalizowano rozkłady pola przepływu dla wydajności 0,75•Qopt.

Rys.3. Obliczony numerycznie rozkład prędkości bezwzględnej (c, m/s) w pompie FZB.7 (Q = 0,75•Qopt)

Na podstawie analizy rozkładów pola przepływu stwierdzono, że przyczyną zaniżania wysokości podnoszenia odczytanego na podstawie obliczeń numerycznych, jest silnie nierównomierny rozkład prędkości na wylocie z wirnika. Prędkość cieczy na wyjściu z kanału międzyłopatkowego współpracującego z początkiem spiralnego kanału zbiorczego jest znacznie niższa, niż w kanale współpracującym z wylotową częścią spirali. Zaburzenie to powoduje obniżenie sprawności przemiany i mniejszy przyrost ciśnienia statycznego w dyfuzorowej części kanału, powodując zmniejszenie wysokości podnoszenia całego modelowanego układu.

Rys.4. Obliczony numerycznie rozkład ciśnienia statycznego (ps, Pa) w pompie FZB.7 (Q = 0,75•Qopt)

Przyczyną obserwowanego zniekształcenia wyników jest zastosowany model przeniesienia informacji pomiędzy ruchomym wirnikiem i stacjonarną spirala (MRF). Użyty model zakłada przeniesienie pełnej informacji o parametrach płynu w obu kierunkach, co powoduje zbyt silny wpływ stacjonarnych elementów na przepływ w wirniku. Pozostałe dostępne w środowisku ANSYS modele pozwalają na przeniesienie informacji tylko w jednym kierunku i zakładają m.in. uśrednienie pola prędkości na powierzchni styku obu elementów lub przeniesienie informacji tylko o wybranym parametrze płynu, np.: ciśnieniu lub prędkości. Stosowanie tych modeli prowadzi zazwyczaj do zawyżenia wysokości podnoszenia i znacznie większego błędu obliczeń numerycznych, niż dla modelu MRF.

Metody numeryczne w procesie projektowania nowych układów przepływowych

Przeprowadzone analizy rynku wykazały potrzebę doprojektowania do istniejącego układu pompy FZB.7 nowego wirnika o wyższej wysokości podnoszenia i lepszych własnościach antykawitacyjnych. Cel ten zostanie osiągnięty poprzez zwiększenie liczby i kształtu łopat oraz zmianę przekroju wlotowego wirnika.
Zaprojektowaną grupę wirników zestawiono z istniejącym spiralnym kanałem zbiorczym i poddano obliczeniom numerycznym.

Tabela 1. Parametry energetyczne analizowanych numerycznie wirników

l.p.	z liczba łopat	β2 kąt wylotowy łopat	HCFD	ηCFD
-	-	°	m	%
1	3	30	37,7	72,1
2	6	30	47,1	73,5
3	6	27	45,3	73,2
4	6	23	45,4	77,2
5	6	23	44,6	75,2
6	5	20	42,3	76,9
7	5	25	43,8	76,7

Przeprowadzony proces wdrażania metod numerycznych wykazał jaką niepewnością obarczone są uzyskiwane wyniki symulacji, oraz które obserwowane zjawiska wynikają z przyjętej metody obliczeń, a które są następstwem sposobu prowadzenia cieczy przez kanały wirnika. Dzięki zastosowaniu metod numerycznych możliwe było szybkie przeanalizowanie wielu konstrukcji wirników i na ich podstawie wybranie kształtu dającego wysoką pewność uzyskania oczekiwanych parametrów. Jako najbardziej odpowiedni pod względem wysokości podnoszenia wybrano wirnik pięciołopatowy (l.p. 6) o kącie wylotowym ß2 = 20°, który w prowadzonych obliczeniach numerycznych dla wydajności Q=650 m3/h osiągnął sprawność 77%. Wartość ta jest o prawie 5% wyższa od sprawności obliczonej numerycznie dla istniejącego wirnika, co pozwala oczekiwać zmniejszenia energochłonności pompy FZB.7 z nowym wirnikiem. Wybrany wirnik został przekazany do wykonania w celu przeprowadzenia dalszych badań prototypowych.

Możliwości metod numerycznych pod kątem analizy własności antykawitacyjnych

Ważnym parametrem nowoprojektowanego wirnika jest osiągnięcie odpowiednich własności antykawitacyjnych. Proces kawitacji inicjowany jest w obszarach niskiego ciśnienia, gdzie tworzą się pęcherzyki pary, które po wpłynięciu w strefy wyższego ciśnienia implodują. Zapadaniu pęcherzyków towarzyszy lokalny wzrost ciśnienia cieczy i lokalne uderzenia hydrauliczne, które występując w pobliżu porowatej struktury materiału prowadzą do jej niszczenia. Kawitacja w maszynach hydraulicznych objawia się wzrostem drgań i hałasu w początkowej fazie procesu, aż do zerwania ciągłości przepływu w momencie wystąpienia pęcherzy pary w dużym obszarze kanału przepływowego wirnika. Metody numeryczne przepływu kawitacyjnego pozwalają, oprócz określenia własności ssawnych również lepsze poznanie przyczyn i procesu rozwoju kawitacji w trudnodostępnych zamkniętych kanałach wirników. Prezentowane obliczenia numeryczne prowadzone były jako stacjonarne z wykorzystaniem modelu kawitacji „Schnerr and Sauer”. Określona na podstawie symulacji wartość NPSHkr wirnika trójłopatowego jest niższa od wartości rzeczywistej o 7%. Pierwsze niewielkie strefy przepływu kawitacyjnego pojawiają się w wirniku przy nadwyżce kilkukrotnie wyższej od wartości krytycznej. Obserwowany udział fazy gazowej jest niski i występuje jedynie po biernej stronie łopat wirnika, tuż za krawędzią natarcia. W obszarze tym następuje silny przyrost prędkości cieczy, powodujący obniżenie ciśnienia do wartości ciśnienia parowania. Wraz z dalszym zmniejszaniem nadwyżki antykawitacyjnej w króćcu ssawnym, strefa występowania przepływu kawitacyjnego wzrasta oraz powiększa się w niej udział fazy gazowej. W wyniku rozszerzania się obszaru występowania przepływu kawitacyjnego ulega zmniejszeniu gęstość przepływającego płynu oraz następuje ograniczenie czynnej powierzchni łopat biorących udział w przekazywaniu momentu pędu do cieczy, co skutkuje zmniejszeniem generowanej wysokości podnoszenia. W momencie wystąpienia strefy kawitacji w całym obszarze wlotu wirnika, generowana wysokość podnoszenia silnie się obniża co uniemożliwia dalszą pracę. Wyznaczona na podstawie obliczeń CFD wartość NPSHkr wirnika pięciołopatowego jest niższa od wartości dla wirnika trójłopatowego o 1,1 m, co pozwala oczekiwać podobnej poprawy własności ssawnych pompy FZB.7 z nowym układem przepływowym. Poprawa zdolności ssania wirnika pięciołopatowego została osiągnięta poprzez poszerzenie wlotu i zmianą kształtu łopat wirnika, co powoduje późniejsze pojawienie się strefy kawitacyjnej i jej mniejszy zasięg. Konsekwencją zwiększenia liczby i kształtu łopat nowoprojektowanego wirnika jest natomiast ograniczenie swobodnego przelotu przez pompę do ? 55mm.

Rys.5. Krzywe rozwoju oraz portrety kawitacji w wirnikach pompy FZB.7

Dzięki wdrożeniu i umiejętnemu wykorzystaniu nowoczesnych metod obliczeniowym możliwe było zaprojektowanie wirnika o zadanych parametrach pracy uzyskującego odpowiednie własności antykawitacyjne przy zachowaniu wysokiej sprawności. Pompa FZB.7 z wdrożonym do produkcji wirnikiem będzie w szczególności przeznaczona do pompowania wody czystej, brudnej, deszczowej i drenażowej oraz transportu cieczy zawierających niewielkie domieszki ciał stałych.

Autorzy:
Marcin Janczak - Gł. Specjalista ds. Obliczeń Numerycznych,
Wojciech Plutecki - Kierownik Działu Badawczo – Rozwojowego