BACKGROUND: When manufacturing monoblock hydraulic assemblies using additive technologies, their complex internal channels often cannot be post-processed. The roughness of such surfaces in the as-built state can reach significant values (up to 300 μm or more), which has a critical effect on the hydrodynamic properties. This requires accurate prediction of the effect of process roughness on the flow.
AIM: assessment of the applicability of classical calculation methods to elements with roughness characteristic of additive manufacturing, and identification of directions for their subsequent modification.
METHODS: Numerical simulation was performed in the Simcenter STAR-CCM+ software package. The study was carried out for various values of equivalent sand roughness (0–300 µm). To ensure high resolution of the physical boundary layer and the correct use of wall functions, the parameters of the prismatic layers of the computational grid were varied (total thickness in the range of 0.75–20 mm). The results were verified by comparing numerical simulation data with analytical calculations based on the Darcy–Weisbach equation and classical methods for estimating local resistance coefficients.
RESULTS: It was found that an increase in surface roughness leads to an increase in hydraulic losses in all studied elements. It is shown that the influence of the prismatic layer thickness on the loss value is nonlinear and has a limiting character for the elbow and straight pipe, while no such trend was found for the diffuser. Visualization of the velocity fields confirmed a significant change in the flow structure near the rough walls.
CONCLUSION: Computational fluid dynamics revealed a significant impact of additive manufacturing-specific roughness on pressure loss and flow structure in the studied elements. Comparison with classical calculation methods allowed assessing their applicability limits and identifying directions for subsequent modification of empirical correlations. Thus, the aim of the study has been achieved.
Обоснование. Шероховатость поверхности является критическим фактором, влияющим на гидродинамические характеристики трубопроводных систем и гидравлических машин. При изготовлении моноблочных гидравлических агрегатов с использованием аддитивных технологий их внутренние каналы сложной формы часто не подлежат финишной механической обработке. Шероховатость таких поверхностей после печати (в готовом виде) может достигать значительных значений (до 300 микрон и более), что оказывает критическое влияние на гидродинамические характеристики. Это требует точного прогнозирования влияния технологической шероховатости на поток.
Цель — оценка применимости классических методов расчёта к элементам с шероховатостью, характерной для аддитивного производства, и выявление направлений для их последующей модификации.
Методы. Численное моделирование выполнено в программном комплексе Simcenter STAR-CCM+. Исследование проведено для различных значений эквивалентной песочной шероховатости (0–300 мкм). Для обеспечения высокого разрешения физического пограничного слоя и корректного использования пристенных функций варьировались параметры призматических слоев расчетной сетки (суммарная толщина в диапазоне 0,75–20 мм). Верификация полученных результатов осуществлялась путем сопоставления данных численного моделирования с аналитическими расчётами на основе уравнения Дарси–Вейсбаха и классических методов оценки коэффициентов местных сопротивлений.
Результаты. Установлено, что увеличение шероховатости поверхности приводит к росту гидравлических потерь во всех исследуемых элементах. Показано, что влияние толщины призматического слоя на величину потерь является нелинейным и имеет предельный характер для колена и прямой трубы, в то время как для диффузора такой тенденции не выявлено. Визуализация полей скорости подтвердила значительное изменение структуры потока вблизи шероховатых стенок.
Заключение. Гидродинамическое моделирование показало существенное влияние шероховатости, характерной для аддитивного производства, на потери давления и структуру потока в исследованных элементах. Сопоставление результатов с классическими методами расчёта позволило оценить границы их применимости и выявить направления для последующей модификации эмпирических зависимостей. Таким образом, цель исследования достигнута.
Практическая значимость заключается в возможности использования результатов моделирования для оптимизации геометрии и технологии изготовления элементов гидравлических систем с целью минимизации потерь напора и повышения их энергоэффективности.