MSI a intégré avec succès STAR-CCM+ dans sa chaîne de procédé en tant qu'outil de conception et d'analyse et a obtenu d'excellents résultats. Cet article témoigne des bénéfices de la simulation numérique à l'aide de STAR-CCM+ dans le cadre de la conception et de l'analyse de turbomachines dans un contexte industriel.
La conception de turbomachines modernes pour les centrales hydrauliques, qu’elles fonctionnent avec des combustibles fossiles, de l’énergie nucléaire ou renouvelable, comporte de nombreux défis :
- Rentabilité, sécurité, respect de l’environnement et des demandes ;
- Conformité aux réglementations gouvernementales en matière d’émissions ;
- Exploitation des procédés de conception efficaces et rapides pour les pompes/turbines sur mesure et les améliorations/mises à niveau ;
- Optimisation de conception et du point de rendement maximal (BEP), et maintien en robustesse en dehors du point de conception ;
- Nécessité de réduire l’entretien et les temps d’arrêts causés par la cavitation, l’usure, l’érosion, les vibrations, etc.
Ces défis signifient que la méthode traditionnelle de conception n’est plus économique et praticable. Les concepteurs de turbomachines se tournent désormais vers des méthodes de conception avancées faisant appel aux outils de conception assistée par ordinateur (CAO) pour l’élaboration et l’optimisation de prototypes virtuels, ainsi que pour le dépannage. De tels outils de simulation permettent aux concepteurs de prédire précisément les performances très tôt lors du cycle de création, d’analyser de nombreuses conceptions, de réduire le recours à de multiples prototypes physiques et à des tests coûteux, d’optimiser la conception pour des performances maximales et de réduire le temps de conception, ainsi que les coûts.
Mechanical Solutions Inc. (MSI), dont le siège social se trouve à Whippany, dans le New Jersey, est une entreprise spécialisée dans la conception de machines à fluides, dans les analyses de dynamique des fluides, dans la conception et l’analyse mécaniques. Dans l’industrie de l’énergie, MSI s’investit dans l’analyse, la réalisation de tests et le dépannage de différents appa-
Le domaine tournant contenant la roue fut interfacé avec le reste du domaine. La vitesse de rotation de la roue fut appliquée à partir du module RBM (Rigid Body Motion). Il a été appliqué 20 sous-itérations par pas de temps. La simulation fut lancée sur plusieurs tours de roue jusqu’à l’obtention d’un comportement cyclique des suivis de pression, couple et débit.
Appareils rotatifs, alternatifs et de turbomachines grâce à des analyses poussées et à des outils de test. Cet article présente l’utilisation de STAR-CCM+, un outil de simulation de pointe créé par CD-adapco™ afin de relever les défis en matière de conception des pompes à eau au sein de MSI.
Simulation de pompes hydrauliques avec STAR-CCM+
Les pompes à eau sont couramment utilisées dans les centrales à combustibles fossiles, nucléaires et hydroélectriques, ainsi que dans d’autres industries comme les activités chimiques, le refroidissement automobile, le traitement des déchets, le pétrole et le gaz. Les principaux défis en matière de conception de pompes comprennent l’instabilité du flux, la cavitation et la machinerie rotative. Le logiciel STAR-CCM+ propose des fonctionnalités permettant de traiter avec succès ces contraintes physiques tout en fournissant un procédé de conception numérique robuste et simplifié. La génération de géométrie, le maillage, la résolution, le post-traitement et l’optimisation peuvent tous être réalisés selon un procédé efficace dans STAR-CCM+.
Des fonctionnalités comme le solveur d’écoulement instationnaire, le modèle de cavitation instationnaire, le module de déplacement de pièces (RBM) pour les domaines tournants, le maillage non structuré automatisé pour les géométries complexes et la possibilité de calcul en parallèle offrent la possibilité d’explorer de nombreuses conceptions de pompe de façon économique. STAR-CCM+ permet aux concepteurs de prévoir facilement les performances de la pompe à un point de fonctionnement nominal et à d’autres points, ainsi que d’éviter les effets néfastes de la cavitation et de l’érosion.
Étude 1 : Pompe à double aspiration
Elle comprenait une entrée suivie d’un inducteur afin de réduire les charges radiales de deux roues identiques alimentant la volute. L’écoulement pénétrant dans la pompe était équi-réparti dans les deux roues. MSI a utilisé STAR-CCM+ pour simuler la physique complexe de la pompe incluant l’écoulement transitoire sur 360°, la rotation de la roue et la cavitation instationnaire. Le domaine fluide fut coupé en deux compte tenu de la symétrie géométrique. L’entrée, la roue et la volute ont été modélisés. La fonctionnalité du mailleur polyédrique automatique a été utilisée pour discrétiser le domaine fluide. Un maillage a été créé pour un seul passage d’aubes, puis fut dupliqué afin de mailler la zone complète uniformément. Les cellules des couches prismatiques ont été créées automatiquement aux parois pour résoudre la couche limite. Le maillage final contenait cinq millions de cellules volumiques.
Le solveur à variables séparées de STAR-CCM+ a été mobilisé avec un schéma convectif du second ordre et le modèle de turbulence k-ω SST. Le modèle diphasique VOF (Volume of Fluid) a été activé pour prédire l’interface entre l’eau et la vapeur d’eau à partir du modèle de cavitation Rayleigh-Plesset. Une condition de débit fut imposée en massique.
Les contours de vitesse (illustration 2) montrent un écoulement stationnaire autour de la roue, un écoulement et un inducteur bien uniforme dans la volute. L’absence d’uniformité du flux était considérée comme indésirable mais devait être acceptée car il était impossible d’augmenter l’espace axial pour obtenir un flux plus uniforme en raison de l’espace axial limité disponible. Illustration 3 montre les contours de la fraction de vapeur sur l’hélice : les régions bleues représentent l’eau et les régions rouges la vapeur d’eau. Nous observons une pression d’entrée élevée (175 kPa), une cavitation minime et que lorsque la pression totale d’entrée diminue, la cavitation sur la roue augmente. L’illustration 4 montre la comparaison de la charge nette absolue à l’aspiration (NPSH : net positive suction head) mesurée par le fabricant dans un banc d’essai et calculée par STAR-CCM+ à différents débits massiques. STAR-CCM+ est capable de prédire précisément la dégradation des performances de la pompe à une condition de débit massique.
NPSH inférieure et à une pression d'entrée inférieure et de fournir des résultats en accord avec les données expérimentales. Grâce à STAR-CCM+, MSI a pu établir numériquement une courbe de dégradation de la hauteur fournie en fonction de la NPSH pour la pompe à des débits massiques de 70 %, 110 % et 150 %. Le client était en mesure d’établir une conception précise et de prendre des décisions concernant la certification, y compris les performances de cavitation pour la pompe en se basant sur les simulations de STAR-CCM+.
Étude 2 : Pompe anti-débordement verticale
Cette étude analyse une grande pompe axiale pour la ville de la Nouvelle-Orléans conçue afin de fournir des performances durables dans des conditions météo rigoureuses. Les nouvelles pompes anti-débordement verticales ont pour but d’éliminer l’excès d’eau de la ville en cas d’inondation. MSI participa à l’analyse de la conception de la pompe en lien avec des problèmes de résonance et de vibration découlant d’une réponse instationnaire.
La pompe comportait un large orifice d’entrée, une hélice d’un diamètre de plus de 1 m, un diffuseur aubé, un arbre interne, une sortie d’aube maintenue par des aubes directrices et un siphon d’évacuation. La géométrie complexe de la pompe a été importée dans STAR-CCM+ et discrétisée grâce à la fonctionnalité de maillage polyédrique automatique avec couches prismatiques.
Le maillage final de calcul comprenait 4 millions de cellules volumiques et épousait précisément la géométrie complexe, avec de multiples canaux et passages d’écoulement du domaine fluidique. L’illustration 5 montre la géométrie complexe et le maillage de calcul.
Le solveur à variables séparées de STAR-CCM+ fut choisi avec le schéma convectif de second ordre et le modèle de turbulence k-ε réalisable. L’eau a été choisie comme fluide à température et pression standard. Une condition aux limites de type débit massique a été spécifiée à l’orifice d’entrée, ainsi que la pression statique à la sortie et la vitesse de rotation sur le domaine entourant l’hélice. La simulation a été menée pendant plusieurs rotations complètes jusqu’à obtention d’un comportement cyclique des suivis de pression, couple et débit massique.
L’illustration 6 montre les contours de vitesse dans le plan médian de la pompe. La pompe centrifuge à plusieurs étages a été conçue pour fournir une hauteur manométrique totale (TDH) importante. Outre les écoulements transitoires complexes, la machinerie rotative et la réponse forcée instationnaire, la pompe induisait également des flux secondaires complexes et il était impératif que les outils de simulation prédisent l’ensemble de la physique.
L’image représente l’écoulement tourbillonnaire dans la région de sortie créée par l’arbre. STAR-CCM+ ayant été validé par MSI, les fluctuations de pression résultant des simulations ont été utilisées pour l’analyse de fréquence avec LabVIEW plutôt qu’avec des valeurs expérimentales.
La pression à chaque interface dans le domaine a été traitée dans le domaine fréquentiel dans LabVIEW à l’aide de la transformation de Fourier rapide (FFT) pour l’analyse spectrale. Les fréquences des fluctuations dans l’écoulement ont été prédites ; elles comprennent la fréquence de rotation, la fréquence de passage des aubes et son premier harmonique (illustration 7). Les fréquences principales furent analysées dans un logiciel d’analyse modale et aucun problème de résonance ou de vibration ne fut observé dans la conception de la pompe.
Étude 3 : Pompe multi-étagée
Cette étude détaille le travail de simulation réalisé par MSI sur une pompe multi-étagée pour un client intéressé par l’analyse des performances de la conception. La simulation portait sur l’écoulement depuis l’orifice d’entrée, suivi des deux étages comportant deux roues en série et d’une volute. Un dispositif de balance de poussée redirigeait une partie du flux de sortie vers l’orifice d’entrée. La pompe possédait une voie d’écoulement secondaire et primaire extrêmement complexe et a été conçue afin d’améliorer les performances hydrauliques et de cavitation.
Le domaine fluide de la pompe multi-étagée comprenait l’orifice d’entrée, de sortie, les écoulements primaire et secondaire.
et les interfaces connectant les régions tournantes et fixes. L’illustration 8 montre la géométrie de calcul et le maillage de la pompe. Un total de huit interfaces connectait les régions tournantes et fixes dans la simulation. STAR-CCM+ a été utilisé afin de résoudre les problèmes d’écoulement autour de la roue, des cavités à proximité des roues et l’écoulement à l’intérieur des tubes reliant l’entrée à la sortie.
L’illustration 9 montre la comparaison de lignes d’écoulement à un débit faible et élevé dans la pompe. Lorsque le débit est faible, le côté gauche de la volute montre des caractéristiques d’écoulements différentes par rapport au côté droit, l’écoulement étant étouffé et asymétrique sur le côté gauche. Lorsque le débit est élevé, le flux est tourbillonnaire mais plus uniforme de chaque côté.
L’illustration 10 montre la hauteur manométrique de la pompe à différents débits massiques. Conformément à ce que le client a observé, la hauteur manométrique totale atteint un palier alors que le débit massique passe d’une valeur élevée à faible.
Grâce aux simulations de STAR-CCM+, l’écoulement non uniforme a été identifié comme la cause de la détérioration des performances lorsque le débit est faible. Cette analyse et cette observation ont été très utiles pour le client dans le cadre de la re-conception de la pompe afin de produire une hauteur manométrique adaptée lorsque le débit est plus faible.
Conclusion
MSI a intégré avec succès STAR-CCM+ dans sa chaîne de procédé en tant qu’outil de conception et d’analyse et a obtenu d’excellents résultats. Le solveur évolué et précis de STAR-CCM+ offre à MSI un procédé d’ingénierie rentable et simplifié afin de résoudre des problèmes extrêmement complexes dans des turbomachines hydrauliques.
L’étude détaillée dans ce document témoigne des bénéfices de la simulation numérique à l'aide de STAR-CCM+ dans le cadre de la conception et de l'analyse de turbomachines dans un contexte industriel.
L’utilisation de STAR-CCM+ par MSI a présenté de nombreux avantages dans la conception de turbomachines, notamment :
- • Conquérir de nouveaux marchés ;
- • Satisfaire les clients existants ;
- • Concevoir des pompes plus performantes et plus rapidement ;
- • Bénéficier d'une connaissance approfondie par rapport aux tests physiques.
