SIMCENTER – ĐÁNH GIÁ NHIỆT DỄ DÀNG HƠN ĐỐI VỚI CÁNH TUABIN KHÍ VÀ ĐỘNG CƠ

SIMCENTER – ĐÁNH GIÁ NHIỆT DỄ DÀNG HƠN ĐỐI VỚI CÁNH TUABIN KHÍ VÀ ĐỘNG CƠ

Việc chế tạo bản sao kỹ thuật số của một tuabin khí là một nỗ lực mà theo truyền thống phải mất hàng tháng mới hoàn thành. Có nhiều thành phần, yếu tố vật lý và mối quan hệ qua lại với nhau giữa các bộ phận cần xem xét. Tua bin khí hoạt động trong điều kiện nhiệt độ, áp suất và tải cao, điều này đặt ra những thách thức trong việc đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả.

Các nhóm khác nhau cần làm việc cùng nhau để đạt được các mục tiêu thiết kế tương ứng đồng thời tôn trọng cả những ràng buộc của chính nhóm đó cũng như của các nhóm khác. Ví dụ, nhóm nghiên cứu nhiệt phải lưu ý đến ứng suất và chuyển vị. Nhóm kết cấu cũng phải lưu ý đến các ứng suất do nhiệt gây ra và những thay đổi trong các đặc tính của vật liệu.

Làm việc với các nhà sản xuất tuabin khí lớn, chúng tôi đã phát triển trong nhiều năm với Simcenter 3D – một giải pháp tích hợp để mô phỏng cơ nhiệt đầu cuối của máy tuabin. Giải pháp này tích hợp nhiều lĩnh vực vật lý trong một môi trường duy nhất để tạo ra một mô hình động cơ toàn diện.

Nó cũng giúp hợp lý hóa việc phân tích đa vật lý và mô phỏng hiệu quả các tác động tương quan của truyền nhiệt, dòng chất lỏng và cơ học cấu trúc, ví dụ như việc thông qua các điều kiện biên đối lưu chuyên biệt liên quan đến hình học hoặc trình quản lý trình tự điều kiện.

Simcenter 3D Thermal Multiphysics 2021.2 bao gồm một số cải tiến tuyệt vời cho phân tích máy quay để xác định chiến lược làm mát cánh tuabin hiệu quả nhất cho thiết kế của bạn.

Immersed Ducts

Khi nhiệt độ đầu vào tuabin tăng thì hiệu suất nhiệt của tuabin khí cũng tăng theo. Tuy nhiên, nhiệt độ cao có thể làm hỏng tuabin, do các cánh quạt chịu lực ly tâm lớn. Ngoài ra, các vật liệu yếu hơn ở nhiệt độ cao dễ bị dão hơn. Điều này có nghĩa là việc làm mát cánh tuabin là điều cần thiết.

Việc thiết kế, mô hình hóa và tối ưu hóa các kênh làm mát và đặc biệt là nhiều lỗ làm mát rất nhỏ có thể tốn rất nhiều thời gian. Điều này là do kích thước tương đối của chúng làm cho quá trình chia lưới trở nên khó khăn và tạo ra các mô hình lớn.

Cánh tuabin có lỗ làm mát nhỏ

Các kênh làm mát gần giống với ống dẫn chìm 1D

Cách tiếp cận của chúng tôi để giải quyết vấn đề này trong Simcenter 3D Thermal Multiphysics là tính gần đúng các lỗ có ống dẫn chìm 1D. Điều này cho phép nhà phân tích tính đến hiệu ứng nhiệt của chất lỏng chảy qua các kênh làm mát mà không cần phải chia chúng ở dạng 3D.

Thật vậy, vì kích thước nhỏ (tương đối) của chúng, biểu diễn 1D là đủ để ghi lại sự truyền nhiệt giữa chất lỏng và chất rắn một cách chính xác. Hơn nữa, bằng cách “nhúng” ống dẫn, nhà phân tích có thể ghép lưới 3D và mạng lưới ống dẫn 1D hoàn toàn độc lập. Solver tự động thực hiện việc ghép nối.

Tính toán tại thời điểm giải quyết là giao điểm giữa ống dẫn và các phần tử rắn, diện tích được làm ướt và sự truyền nhiệt tương ứng giữa chất lỏng và chất rắn.

Sử dụng đối tượng mô phỏng Immersed Duct:

• Người dùng chọn các ống dẫn và xác định Hệ số truyền nhiệt (HTC)
• HTC có thể phụ thuộc vào các trường, biểu thức hoặc tương quan chức năng plugin
• Sự liên kết với lưới rắn bên dưới dựa trên bán kính của phần tử ống

Định nghĩa các ống dẫn chìm trong Simcenter 3D Thermal Multiphysics

Thực tế là mạng 1D hoàn toàn độc lập với lưới solid giúp giảm đáng kể thời gian lập mô hình, loại bỏ quá trình chia lưới tẻ nhạt và giảm số lượng lưới. Nó cũng cho phép thay đổi thiết kế nhanh chóng mà nếu không sẽ rất khó.

Ống dẫn chìm có sẵn cho cả thể tích hữu hạn nhiệt và solver phần tử hữu hạn. Chúng đã được xác nhận dựa trên mô hình rõ ràng của các lỗ.

Nhiệt độ chất lỏng của các lỗ làm mát cũng như kết quả truyền nhiệt luôn có sẵn trong môi trường hậu xử lý

Các lớp bảo vệ nhiệt để làm mát cánh tuabin

Một cách tiếp cận khác thường được sử dụng kết hợp với các kênh làm mát để hạn chế nhiệt độ của cánh quạt và nâng cao hiệu quả của tuabin khí là sử dụng các lớp bảo vệ nhiệt. Những lớp này còn được gọi là lớp phủ cản nhiệt, là những lớp vật liệu tiên tiến rất mỏng như zirconia được phun lên bề mặt của các cánh quạt.

Vậy tại sao mô hình hóa các lớp phủ nhiệt lại là một thách thức đáng kể như vậy? Đó là bởi vì mỗi lớp có thể là một vật liệu khác nhau với sự phân bố độ dày không gian duy nhất.

Trong Simcenter 3D 2019.1, chúng tôi đã giới thiệu đối tượng mô phỏng Lớp bảo vệ nhiệt mới tương thích với solver thể tích hữu hạn nhiệt (FV). Nó hướng dẫn solver tự động tạo các phần tử vỏ nhiều lớp với công thức ba nút mới. Kết quả nhiệt độ sau đó có sẵn trên các lớp vỏ khác nhau.

Tuy nhiên, do sự chênh lệch nhiệt độ cao giữa khí nóng và nền kim loại, các gradient nhiệt rất cao có thể tồn tại ngay cả trong một lớp cụ thể. Để nắm bắt chính xác các gradient này, cần có các điểm tính toán bổ sung thông qua độ dày.

Một cách tiếp cận mới tương thích với solver phần tử hữu hạn nhiệt (FE) có sẵn với Simcenter 3D 2021.2. Với cách tiếp cận mới này, giờ đây có thể xác định số lượng lớp con trong bất kỳ lớp cụ thể nào.

Định nghĩa về các lớp bảo vệ Protective Layers

Mỗi lớp được xác định bởi:

• Vật liệu
• Độ dày (bản thân nó được xác định bởi một hằng số, một trường hoặc một biểu thức)
• Số lượng lớp con

Cũng như tính năng ống dẫn chìm, solver FE tạo lưới 3D cho mỗi lớp và các lớp con của nó, giúp đơn giản hóa quá trình mô hình hóa một cách đáng kể. Sau khi giải quyết xong, có thể dễ dàng xử lý từng lớp riêng lẻ bằng cách chọn các nhóm được tạo tự động trong Simcenter 3D Post.

Mô hình 3D của một cánh tuabin

Nhiệt độ của cánh tuabin với lớp phủ rào cản nhiệt được áp dụng

Trực quan hóa các lớp phủ cản nhiệt

Đồ thị phụ thuộc điều kiện biên

Trong phân tích cơ nhiệt toàn bộ động cơ, dòng chất lỏng thường được biểu thị bằng các điều kiện biên đối lưu nhiệt máy tuabin chuyên dụng (tức là dòng nhiệt, vùng đối lưu và khoảng trống). Cách phức tạp mà các điều kiện biên này được kết nối với nhau làm cho việc chẩn đoán và theo dõi các lỗi thiết lập mô hình trở nên khó khăn. Ví dụ: đầu ra của một luồng có thể cung cấp một hoặc nhiều luồng hoặc một luồng có thể cung cấp một khoảng trống. Xem hình bên dưới để biết ví dụ.

Mô hình toàn bộ động cơ với các điều kiện biên đối lưu được áp dụng trên các cạnh và mặt

Để giúp xác minh các điều kiện biên đối lưu nhiệt được thiết lập chính xác, Biểu đồ phụ thuộc BC mới cung cấp một công cụ trực quan.

Solver nhiệt tạo ra một báo cáo HTML để xem các yếu tố phụ thuộc lẫn nhau một cách năng động. Chế độ xem “Fixed Format” hiển thị các điều kiện biên giống như cách chúng xuất hiện trong không gian của mô hình, trong khi chế độ xem “Floating Format” hiển thị các điều kiện biên với sự nhấn mạnh vào các kết nối giữa chúng. Có thể thu phóng và xoay màn hình để tập trung vào các phần cụ thể của mô hình hoặc tập trung vào sự phụ thuộc nhiệt độ hoặc lưu lượng khối lượng. Cũng có thể di chuyển các nút xung quanh để xem tốt hơn.

Đồ thị phụ thuộc điều kiện biên tương đương ở định dạng cố định Fixed Format

Tóm tắt

Đây chỉ là một vài trong số rất nhiều cải tiến và tính năng mới sẽ có trong bản phát hành Simcenter 3D 2021.2 sắp tới. Mô hình hóa ống dẫn chìm của các kênh làm mát làm giảm đáng kể việc thiết lập mô hình và thời gian chạy để phân tích làm mát cánh quạt. Solver FE có thể tự động lập mô hình và tính toán các lớp bảo vệ nhiệt, giúp việc hậu xử lý dễ dàng sau khi tính toán xong. Cuối cùng, Biểu đồ phụ thuộc BC mới giúp nhanh chóng và dễ dàng xác minh các điều kiện biên rất phức tạp được thiết lập chính xác.

Nguồn: Siemens