Badania symulacyjne elementów i systemów hydraulicznych

autor:   mgr inż. Kamil Dworak - inżynier ds. badań i prototypów
             dr inż. Piotr Rosikowski - dyrektor centrum badań i rozwoju

Elementy jak i systemy hydrauliczne ciągle się zmieniają i rozwijają. Dlatego chcąc nadążyć za obecnie panującymi nurtami oraz aby samemu je tworzyć firma PONAR Wadowice S.A. posiada zaawansowane zaplecze nowoczesnych narzędzi, które wspomagają proces wdrażania nowych rozwiązań. Dzięki nim nasza oferta jest ciągle powiększana o innowacyjne typy produktów a dotychczasowe elementy są na bieżąco modernizowane i udoskonalane.

Jednym z narzędzi, którym dysponuje Centrum Badań i Rozwoju PONAR Wadowice jest oprogramowanie obliczeniowe i symulacyjne wykorzystujące metody CFD (ang. CFD – Computational Fluid Dynamics). W artykule przybliżmy możliwości jakie daje obliczeniowa mechanika płynów.

Numeryczna mechanika płynów jest wyróżnionym obszarem mechaniki płynów, w którym metody numeryczne stosowane są do rozwiązywania zagadnień opisu płynów. Od wielu lat stosowana jest zarówno w przemyśle jak i w badaniach naukowych. Stanowi ona nowoczesne narzędzie do wspomagania procesu projektowego, ponieważ umożliwia już na poziomie projektu przewidywanie parametrów pracy czy też wprowadzanie ewentualnych modyfikacji poprawiających działanie elementów. Dzięki tym zabiegom możliwe jest skrócenie czasu tworzenia nowych rozwiązań oraz ogranicza się liczbę wytwarzanych prototypów.
Wszystkie te zastosowania przynoszą wymierne korzyści, z których najważniejsze to podniesienie jakości produktu i jednoczesne obniżenie jego ceny, co wpływa na poprawę konkurencyjności firmy.

Przy pomocy programów typu CFD użytkownik jest w stanie uzyskać informacje na temat zjawisk zachodzących w badanym układzie tj.:

• straty ciśnienia, generowanej podczas przepływu przez badany element,
• przepustowości badanego elementu,
• miejsca występowania maksymalnych lub minimalnych wartości wielkości tj.: prędkość przepływu, ciśnienie, temperatury, itp
• miejsca występowania zaburzeń przepływu,
• rozkładu wybranych wielkości przepływowych (np. ciśnienie, prędkość, temperatura etc.).

Niezależnie od stosowanego oprogramowania procedura postępowania jest identyczna dla wszystkich tego typów programów (rysunek 1 ). Prace rozpoczyna się od stworzenia modelu 3D dróg przepływowych rozpatrywanego elementu hydraulicznego. W tym celu można użyć kreatorów powierzchni 3D oferowanych jako dodatek do oprogramowania CFD lub skorzystać z dedykowanego programu do tworzenia modeli wirtualnych, a następnie zaimportować przygotowaną geometrię do środowiska obliczeniowego. Kolejnym etapem jest wygenerowanie siatki elementów skończonych w objętości rozpatrywanego modelu. Utworzona siatka, czyli model dyskretny obiektu, jest następnie eksportowany do modułu prepocesingu. W tym module użytkownik dokonuje zdefiniowania warunków brzegowych, ograniczeń oraz pozostałych parametrów niezbędnych do obliczeń. Następnie za pomocą solvera oprogramowanie rozwiązuje równania opisujące dany przepływ. Po wykonaniu tego procesu użytkownik może przejść do modułu postprocesingu, gdzie ma możliwość wglądu do otrzymanych wyników.

Rys. 1. Schemat postepowania przy użyciu programów typu CDF.

Korzystając z programów do numerycznej mechaniki płynów, można wyznaczać statyczne charakterystyki przepływowe elementów hydraulicznych bardzo zbliżone do charakterystyk przepływowych uzyskiwanych na rzeczywistych stanowiskach badawczych.

Poniżej przedstawiono zdjęcie rozdzielacza suwakowego typu WE6 w trakcie prowadzenia prac B+R. W celu zwiększenia dokładności pomiarów priorytetem było jak najmniej skomplikowane oraz najbliższe umieszczenie czujników pomiarowych względem badanego elementu.

Rys. 2. Zdjęcie założonego obiektu badań wraz z aparaturą pomiarową. 

Na rysunku 3. przedstawione zostały schematy obrazujące istotę podłączenia badanego rozdzielacza w układ pomiarowy. Widoczne są na nich miejsca umieszczenia aparatury pomiarowej oraz zawory używane do osiągnięcia odpowiednich parametrów ciśnienia oraz natężenia przepływu.

Rys. 3. Uproszczone schematy połączeń podczas badań: po lewej przepływ z P do A, z prawej przepływ z A do T. 

Do przeprowadzenia badań zostało wykorzystane stanowisko badań zaworów Centrum Badań i Rozwoju PONAR Wadowice S.A. Stanowisko zasilane jest za pomocą pompy wielotłoczkowej z proporcjonalnym sterowaniem wartością ciśnienia jak i wydatku. Pozwala to na płynną regulację parametrami pompy w całym zakresie pracy. Pompę napędza silnik elektryczny o mocy 110 kW do rozruchu którego używany jest falownik. Olej dostarczany jest do układu ze zbiornika o pojemności 4000 dm³. Stanowisko umożliwia kompleksowe badania większości elementów hydrauliki siłowej.

Rys. 4. Stanowisko badań zaworów Centrum Badań i Rozwoju PONAR Wadowice S.A

Poniższy wykres przedstawia wybrane dane zebrane podczas badań na obiekcie rzeczywistym w odniesieniu do danych otrzymanych metodami CFD.

Rys. 5. Wykres porównawczy wyników otrzymanych dla badań na obiekcie rzeczywistym a metodami CFD.

Rozbieżność pomiędzy wynikami ze stanowiska a uzyskanymi wyniku symulacji (sparametryzowanych zgodnie z doświadczeniami inżynierów PONAR Wadowice) wynosi zaledwie kilka procent co jest niezwykle zadowalające.

Ponadto warto zwrócić uwagę, że numeryczna mechanika płynów w odróżnieniu od metod laboratoryjnych jest metodą nieinwazyjną, której stosowanie w żaden sposób nie zakłóca uzyskiwanych wyników z analiz przepływowych.

Podsumowując można jednoznacznie stwierdzić, że dzięki specjalistycznemu oprogramowaniu CFD oraz doświadczeniu naszych Inżynierów, PONAR Wadowice S.A. dysponuje narzędziem do szybkiego prototypowania, które w znaczący sposób ułatwia i skraca proces projektowania i wdrażania do produkcji nowych elementów hydrauliki siłowej.

Kontakt z naszym Zespołem:

mgr inż. Kamil Dworak
Inżynier ds. Badań i Prototypów
Centrum Badań i Rozwoju 
tel. 32 323 34 00 | e-mail: kamil.dworak@ponar-wadowice.pl

dr inż. Piotr Rosikowski
Dyrektor Centrum Badań i Rozwoju
tel. 32 323 34 00 | e-mail: piotr.rosikowski@ponar-wadowice.pl

DZIAŁ HANDLOWY - systemy hydrauliczne
tel. +48 32 323 34 00 | e-mail: systemy@ponar-wadowice.pl

DZIAŁ HANDLOWY - elementy hydrauliki siłowej
tel. +48 33 488 26 00 | e-mail: dok@ponar-wadowice.pl