Un produttore di impianti di riscaldamento e raffreddamento utilizza Simcenter STAR-CCM+ per risparmiare tempo e costi simulando rapidamente più progetti di pompe

Passare al virtuale

I sistemi di pompaggio sono gli eroi non celebrati di molti aspetti della nostra vita. Consentono ai nostri sistemi idrici e fognari, ai sistemi di ventilazione, al raffreddamento negli impianti energetici e a molte altre applicazioni di funzionare in modo efficiente.

I progettisti di pompe devono affrontare molteplici sfide quando mirano a creare prodotti nuovi e migliori. Le pompe devono operare correttamente in condizioni molto diverse, rispettare le norme governative sull'efficienza e garantire un corretto funzionamento per lunghi periodi di tempo, riducendo al minimo i tempi di fermo per le riparazioni.

I metodi di progettazione tradizionali si sono basati in larga misura sul test di prototipi fisici. Questo può essere costoso e richiedere molto tempo, con più cicli di progettazione/riprogettazione e test per ogni nuovo prodotto. La creazione di un prototipo virtuale consente di esaminare rapidamente più progetti di pompe in una serie di possibili condizioni operative, il che non solo accelera il processo di progettazione, ma riduce anche i costi associati ai test fisici. Taco Comfort Solutions (Taco) utilizza questo approccio per portare sul mercato pompe migliori più velocemente.

Progettazione e simulazione

Taco utilizza il software Simcenter STAR-CCM+ ® come laboratorio virtuale prima di creare e testare i prototipi fisici. L'ingegnere di prodotto Peter Vandal guida le operazioni di progettazione della fluidodinamica computazionale (CFD) di Taco. Dopo aver importato la geometria dal software SolidWorks, tutte le operazioni di meshing, simulazione e analisi vengono eseguite in Simcenter STAR-CCM+, come mostrato nella figura 2. Per ogni progetto di pompa, la simulazione CFD fornisce una rappresentazione tridimensionale completa del flusso e delle pressioni all'interno dell'alloggiamento della pompa.

"Possiamo effettuare letture in qualsiasi punto del modello, come sonde virtuali", spiega Vandal. "Ad esempio, possiamo estrarre i valori della pressione statica o della pressione totale negli stessi punti delle sonde utilizzate nei test di laboratorio, in modo da poter confrontare direttamente i risultati di Simcenter STAR-CCM+ con l'applicazione del mondo reale".

Questa validazione del modello CFD offre al team un elevato livello di sicurezza nei risultati, insieme alla visione predittiva delle caratteristiche delle prestazioni come la prevalenza, l'efficienza e la portata del punto di massima efficienza (BEP). Una volta che Vandal e il suo team hanno tre o quattro progetti che offrono prestazioni accettabili in Simcenter STAR-CCM+, passano alla costruzione e al collaudo dei prototipi fisici. Anche con la loro capacità di prototipare rapidamente (tramite stampa 3D) le giranti in stereolitografia (SLA), ogni girante costa fino a 2.500 dollari per essere costruita e testata. L'esplorazione delle prestazioni di numerosi prototipi digitali in Simcenter STAR-CCM+ offre un notevole risparmio di tempo e denaro, consentendo un'elevata probabilità di successo in un'unica fase di test del prototipo e garantendo una breve finestra temporale di sviluppo.

Figura 1: Esempio di circolatore Taco Comfort Solutions.

Simulazione della curva completa della pompa

Vandal e il suo team eseguono simulazioni in stato stazionario su ogni progetto, testando più punti di flusso per stabilire la portata BEP. In un mondo ideale, le pompe funzionerebbero sempre vicino al BEP, ma non è sempre così. Per evitare problemi sul campo e soddisfare le esigenze dei clienti, è importante esaminare il flusso fuori progetto per essere sicuri che la pompa sia robusta per l'intera curva operativa. Vandal descrive tre sezioni distinte: "Sul lato sinistro della curva della pompa si può ottenere un abbassamento eccessivo, il che non è accettabile. Il BEP si trova al centro e sul lato destro è necessario esaminare le condizioni operative ad alte portate".

Taco esegue simulazioni non stazionarie in Simcenter STAR-CCM+, con l'obiettivo di esaminare l'intera curva della pompa.

"Inizializziamo il modello CFD con un funzionamento in stato stazionario alla velocità di flusso BEP, quindi modifichiamo le condizioni al contorno in modo che il flusso cambi verso la velocità di flusso estrema", afferma Vandal.

Ha condiviso un esempio di un case che mostrava un design poco performante sul lato sinistro della curva delle prestazioni (figura 3): "A portate fuori progetto, il flusso della pompa può diventare altamente instabile (figura 4). Se si verificasse un calo eccessivo di pressione sul lato sinistro della curva della pompa, potrebbero esserci problemi con il funzionamento di una configurazione di pompaggio parallelo. Sono stato in grado di eseguire una simulazione instabile in Simcenter STAR-CCM+ al 10% e al 50% della portata BEP in galloni al minuto, per quantificare l’entità del droop tra il punto di massima prevalenza (50%) e la prevalenza a mandata chiusa (10%). Ho usato lo stesso metodo per simulare progetti alternativi prima di costruire le giranti SLA per i test di laboratorio. I progetti che sono stati sottoposti a test sono stati quelli che hanno mostrato buoni risultati non solo a BEP, ma anche a bassa portata, con una minore caduta di pressione sul lato sinistro della curva delle prestazioni”.

Taco è convinta che i progetti delle sue pompe possano essere ancora più robusti, funzionando nel modo più efficiente e affidabile possibile anche quando vengono utilizzate al di fuori della progettazione.

Figura 3: Esempio di curva di prestazione per due casi di test. Le linee tratteggiate mostrano i risultati di Simcenter STAR-CCM+, mentre le linee continue mostrano i risultati dei test di laboratorio. Il caso A ha mostrato un forte calo di pressione (ΔA) tra il 50% di BEP (prevalenza massima) e il 10% di BEP. La riprogettazione della girante (caso B) ha diminuito questa caduta di pressione (ΔB).

Figura 2: Un modello di pompa viene progettato in un software CAD e importato in Simcenter STAR-CCM+ (primo), dove viene meshato (secondo) e simulato (terzo).

Ottimizzare i flussi di lavoro

L'utilizzo di Simcenter STAR-CCM+ per i test virtuali ha accelerato il flusso di lavoro di progettazione di Taco e ridotto i costi associati ai test fisici.

"Quando ripenso a qualche anno fa, alle prime pompe su cui ho lavorato, ordinavamo parti per i test, erano difettose e dovevamo rifare l'intero processo di progettazione, ordinazione e collaudo", afferma Vandal. "Ora che utilizziamo Simcenter STAR-CCM+, eliminiamo questo processo iterativo di ‘nuovo inizio’ e acceleriamo l'intero ciclo di progettazione.

“Quando abbiamo iniziato a usare Simcenter STAR-CCM+, non avevamo molti dati di laboratorio da correlare ai risultati della CFD, quindi non sapevamo quali fossero le migliori impostazioni del modello, come i flussi di rugosità o di perdita, da usare. Ora disponiamo di una libreria di dati di test di laboratorio che validano i risultati di Simcenter STAR-CCM+ e conosciamo le migliori impostazioni del modello da utilizzare per ottenere risultati accurati".

Taco, tuttavia, è determinata a snellire ulteriormente il proprio processo di progettazione. "Siamo sempre alla ricerca di modi per utilizzare il software più velocemente", commenta Vandal. “Ogni volta che dedichiamo un paio d'ore a qualcosa ci chiediamo come possiamo farlo in 50 minuti”. Vogliamo lavorare in modo più intelligente con il software, non più difficile".

Vandal e il suo team hanno lavorato a stretto contatto con l'ingegnere di supporto dedicato (DSE) di Siemens per ottimizzare le simulazioni.

"È fantastico avere un referente dedicato in Siemens che conosce i nostri processi e lavora con noi per trovare soluzioni", spiega Vandal. Taco ha collaborato con il proprio DSE per sviluppare un rapido processo di test multi-design utilizzando la funzionalità di scambio di parti di Simcenter STAR-CCM+. Una volta che il modello è stato configurato ed eseguito in Simcenter STAR-CCM+, lo scambio di parti consente a Vandal di sostituire solo la girante o la voluta con un progetto alternativo, mentre le impostazioni del modello CFD e le condizioni al contorno rimangono invariate, come nella figura 5. Simcenter STAR-CCM+ rigenera quindi rapidamente la mesh e calcola una nuova soluzione.

“Utilizziamo una convenzione di denominazione standardizzata in SolidWorks, quindi quando voglio cambiare una parte nel modello Simcenter STAR-CCM+, premo letteralmente il pulsante di sostituzione della parte ed eseguo una nuova simulazione”, afferma Vandal. "Ci piace lavorare in questo modo, perché possiamo testare più casi uno dopo l'altro utilizzando le stesse impostazioni di mesh e simulazione. Questo non solo rende veloce l'esecuzione di più simulazioni, ma ci dà anche la certezza che i risultati saranno coerenti e ripetibili".

Taco ha anche creato macro Java per automatizzare il processo "mesh-and-run", consentendo la generazione automatica delle curve della pompa. Processi automatizzati come questo aiutano Taco a raggiungere l'obiettivo di dimezzare l'attuale tempo del processo di progettazione.

Taco guarda anche al futuro, con l'obiettivo di sfruttare le conoscenze acquisite negli ultimi due anni. Greg Case, Chief Technology Officer (CTO), afferma: "Ci affidiamo al nostro uso strategico della simulazione CFD per battere la concorrenza sul mercato con pompe più performanti e aumentare la quota di mercato".

Vandal spiega: "Il nostro principale vantaggio derivante dall'utilizzo di Simcenter STAR-CCM+ è l'abbreviazione del nostro processo di progettazione iterativa in un settore altamente competitivo. Vogliamo sapere che quando investiamo in attività di test di laboratorio o nell'attrezzatura delle parti, i risultati avranno un'alta probabilità di successo. Simcenter STAR-CCM+ ci dà la certezza che sia così. In sostanza, desideriamo eliminare il ciclo di feedback tra i test di laboratorio e la fase di progettazione, in modo che ogni progetto di pompa abbia il minor numero possibile di test di laboratorio.

“Vogliamo esplorare digitalmente e confermare fisicamente piuttosto che il contrario. Data la libreria di dati di test di laboratorio SLA di cui disponiamo, sia per le parti SLA sia per quelle in metallo, e la fiducia che abbiamo nei dati Simcenter STAR-CCM+ che abbiamo generato finora, voglio puntare a un futuro in cui non utilizzeremo più i test SLA, ma passeremo direttamente da Simcenter STAR-CCM+ ai test sulle giranti in metallo. È un po' rischioso, ma penso che sia possibile e ci farà risparmiare tempo e costi, consentendoci di portare sul mercato nuove pompe, più efficienti e affidabili più velocemente".

Figura 5: La sostituzione delle parti consente di modificare rapidamente la girante, mantenendo invariato il resto della geometria. I risultati sono facilmente comparabili in quanto tutte le impostazioni della mesh e della fisica sono identiche.

Figura 5: La sostituzione delle parti consente di modificare rapidamente la girante, mantenendo invariato il resto della geometria. I risultati sono facilmente comparabili in quanto tutte le impostazioni della mesh e della fisica sono identiche.

Figura 4: Quando la pompa viene fatta funzionare a portate molto lontane da quelle di progetto (primo), il flusso nella pompa diventa chiaramente altamente instabile con un ricircolo significativamente maggiore rispetto al flusso al BEP (secondo).