По всем вопросам звоните:

+7 495 274-22-22

Применение программного обеспечения Particleworks для расчета масляного охлаждения электродвигателя

Февральских А.В. канд. техн. наук, ведущий инженер по гидрогазодинамике, АО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»
Степанов Д.В. инженер по гидрогазодинамике, АО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»
Ляскин А.С. канд. техн. наук, руководитель департамента CFD, АО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Технологии CFD-моделирования (Computational Fluid Dynamics – вычислительная гидродинамика) являются надежным инструментом проектирования систем охлаждения, позволяя достоверно моделировать процессы теплообмена и определять оптимальные режимы работы двигателя. Наиболее распространенные в настоящее время CFD-подходы основываются на применении метода контрольных объемов (МКО), для реализации которого необходимо построение сеточных моделей. Требования к сеточным моделям во многом определяют трудоемкость CFD-задачи и возможности применения CFD в процессе проектирования. Трудоемкость CFD-моделирования отчасти можно снизить, используя передовое программное обеспечение для автоматизированного построения сетки. В качестве альтернативного направления развития CFD рассматривается отказ от создания сеточных моделей, то есть применение так называемых «бессеточных методов». Программное обеспечение Particleworks реализует технологии бессеточного CFD, открывая возможности для быстрой и достоверной оценки характеристик охлаждения электродвигателя на стадии концептуального проектирования. В настоящей работе возможности Particleworks исследуются в приложении к задаче расчета масляного охлаждения автомобильного электродвигателя.

Литература:

1. Particleworks Theory Manual Release 6.2.0, Prometech Software Inc., 2019.

2. Galbiati, Massimo. Oil Splashing, Lubric ation and Chur ning Loss es Prediction by Moving Particle Simulation. NAFEMS World Conference 2017 [Online] June 2017 [Cited: 07 April 2018] https:// www.nafems.org/congress/presentation_ downloads/.

3. L. Martinelli, M. Hole, D. Pesenti, M. Galbiat. Thermal Optimisation of e-Drives Using Moving Particle Semi-implicit (MPS) Method. Newsletter EnginSoft, 2015, N 3, p. 27–33.

4. Estimation of Equivalent Thermal Parameters of Electrical Windings. Simpson, N, Mellor, P H and Wrobel, R.

Разработка электродвигателей входит в число активно развивающихся видов инженерной деятельности как часть общемирового тренда на сокращение потребления углеводородов и повышенного внимания к проблемам глобального изменения климата. Однако полноценная конкуренция электродвигателей с традиционными двигателями внутреннего сгорания представляется возможной лишь в перспективе, поскольку сохраняются проблемы обеспечения массы, габаритов и продолжительности цикла непрерывной работы при соответствующих требованиях к мощности и ресурсу. Неотъемлемой задачей проектирования электродвигателя является разработка системы охлаждения, удовлетворяющей вышеперечисленным требованиям и позволяющей оптимизировать тепловыделение. Для прогнозирования характеристик охлаждения на стадии концептуального проектирования необходимо использовать методы расчета, позволяющие в кратчайший срок определять локальные значения коэффициентов теплопередачи в моделируемой системе. Наиболее детальные, распространенные в настоящее время численные методы моделирования сопряженного теплообмена основываются на применении методов конечных элементов (МКЭ) и контрольных объемов (МКО). При этом МКО хорошо подходит для моделирования сложных течений, однако его использование сопряжено с высокими затратами временных и вычислительных ресурсов, а также с противоречивыми требованиями к построению сеточной модели. С одной стороны, сеточная модель должна максимально соответствовать особенностям геометрии проточной области, обеспечивать достоверное прогнозирование конвективных и тепловых характеристик, в особенности вблизи охлаждаемых стенок. С другой стороны, уменьшение размеров элементов сетки ведет к росту их количества и, соответственно, к росту затрат вычислительных ресурсов и времени, необходимого для выполнения CFDмоделирования. Отдельно следует отметить проблемы, связанные со стабилизацией вычислений по методу МКО, и необходимость исследовать вычислительные модели на предмет сеточной сходимости. Помимо этого, в ходе вариантной проработки конструкции и характеристик теплоотвода, желательно обеспечить максимальную автоматизацию вычислений, в том числе и на стадии подготовки вычислительных моделей. Программное обеспечение Ansys позволяет отчасти решить эти проблемы, предлагая платформенные решения для задач оптимизации и вариантных расчетов, а также современные инструменты создания сеток. Наиболее заметных успехов в развитии сеточных генераторов удалось достичь с последними версиями программного обеспечения Ansys Fluent Meshing. В этом решении содержатся инструменты создания тетра-, гекса-, полиэдрических и смешанных сеточных моделей. Используя различные варианты интерфейса Ansys Fluent Meshing, можно создавать сеточные модели как в «ручном» режиме, с построением и редактированием отдельных элементов и их групп, так и в полуавтоматическом и полностью автоматизированном режимах. Полуавтоматическое построение сеток в Ansys Fluent Meshing реализовано в виде сценарно-диалогового интерфейса Workflow, где пользователю предлагается пройти заранее разработанные последовательности настроек, что значительно сокращает время работы. В полностью автоматизированном режиме сетка строится по написанным сценариям (скриптам), причем, без включения графического интерфейса. Однако оптимизация процесса создания сетки не снимает проблему высоких затрат временных и вычислительных ресурсов уже в ходе расчета, в особенности, если речь идет о моделировании течений многокомпонентных сред. В связи с этим все большее внимание пользователей программного обеспечения CFD привлекают альтернативные методы моделирования систем теплообмена, такие как понижение размерности модели (одномерное моделирование), или применение МКЭ к жидкой среде, которые, однако, уступают в возможностях детализации картины течения. В ряде случаев наиболее рациональным и компромиссным подходом, позволяющим снизить требования к вычислительному оборудованию с сохранением необходимого уровня детализации, служит применение бессеточных методов CFD-моделирования, основанных на представлении жидкости в виде совокупности частиц. Одним из таких подходов является метод Moving Particle Simulation (MPS), реализованный в программном обеспечении Particleworks. В настоящей работе показаны возможности применения программного обеспечения Particleworks для моделирования масляного охлаждения электродвигателя. Представлены результаты сравнительного анализа значений коэффициента теплопередачи и затрат вычислительных ресурсов при использовании методов MPS и МКО.

Для Цитирования:
Февральских А.В., Степанов Д.В., Ляскин А.С., Применение программного обеспечения Particleworks для расчета масляного охлаждения электродвигателя. Конструкторское Бюро. 2021;3.
Полная версия статьи доступна подписчикам журнала
Язык статьи:
Действия с выбранными: