AP26103767 – Оптимизация методов проектирования центробежных насосов, на основе современного математического моделирования гидродинамических процессов и искусственного интеллекта

Цель – разработка гидродинамической модели, позволяющей описать поведение потока и процессы, происходящие в центробежном насосе, а также исследование применения гибридного подхода с использованием искусственного интеллекта для ускорения вычислений.

Актуальность: Актуальность данного проекта обусловлена высокими временными и финансовыми затратами, связанными с традиционной лабораторной оптимизацией насосов, требующей создания множества физических прототипов. Математическое моделирование является более эффективной альтернативой, однако оно требует значительных вычислительных ресурсов из-за сложности гидродинамических процессов, включая турбулентность. Каждое моделирование включает решение нескольких дифференциальных уравнений на крупных расчетных сетках, часто содержащих миллионы узлов, что существенно увеличивает время вычислений. Необходимость оценки работы насоса при различных расходах и геометрических конфигурациях дополнительно увеличивает объем вычислений. В результате процессы оптимизации становятся крайне длительными и ресурсоемкими, что замедляет развитие инженерных решений. Таким образом, проект является высокоактуальным, поскольку направлен на разработку передовых вычислительных подходов, таких как нейронные сети и параллельные вычисления, позволяющих ускорить моделирование при сохранении высокой точности.

Научный руководитель: Доктор Ph.D., Шаяхметов Нурлан Муратханович

Ожидаемые и достигнутые результаты: В рамках проекта достигнуты значительные результаты в анализе современных методов проектирования и моделирования центробежных насосов. Подготовлен детальный литературный обзор на основе анализа более 70 научных публикаций, охватывающих теоретические, эмпирические, численные, экспериментальные и комбинированные подходы. В ходе исследования выявлены основные преимущества и ограничения теоретико-аналитических и эмпирико-гидравлических методов, включая их ограниченную применимость и зависимость от экспериментальных данных. Проведен анализ современных численных методов на основе вычислительной гидродинамики (CFD), включая модели RANS, LES и DNS, с оценкой их возможностей моделирования сложных гидродинамических процессов, таких как турбулентность, кавитация и потери энергии. Установлено, что модели RANS обеспечивают оптимальный баланс между точностью и вычислительной эффективностью, с погрешностью прогнозирования 3–10% и относительно низкими вычислительными затратами. Методы LES показали более высокую точность (1–2%) и лучшее разрешение нестационарных потоков, однако требуют значительно больших вычислительных ресурсов. Модели DNS обеспечивают наивысшую точность (менее 1% ошибки), но являются практически неприменимыми для промышленных задач из-за крайне высоких вычислительных требований. Проведен сравнительный анализ моделей турбулентности по критериям точности и скорости вычислений, который подтвердил, что выбор модели является компромиссом между точностью и ресурсозатратами. Также подчеркнута важность экспериментальных методов для валидации численных расчетов и повышения надежности моделей. Кроме того, установлено, что комбинированные подходы, интегрирующие аналитические, численные и экспериментальные методы, являются наиболее эффективными для повышения точности проектирования. В целом проект сформировал прочную научно-методологическую базу для оптимизации проектирования центробежных насосов с использованием современных вычислительных технологий.