Registration Number
0826U002772, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
27-07-2026
popup.evolution
o
Title
Improving the Energy Efficiency of a Centrifugal Compressor Based on Evolutionary Optimization Algorithms for the Flow Path.
Author
Andrii S. Azarov,
popup.head Andrii Rogovyi
popup.opponent Serhii Sharapov
popup.opponent Oleg V. Zamytskyi
popup.review Yuriy O. Yudin
popup.review Evgeniy S. Krupa
popup.rada
National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"
Description
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі підвищення енергетичної ефективності відцентрових компресорів шляхом удосконалення геометрії їх проточної частини з використанням сучасних методів комп’ютерного моделювання та оптимізації. Актуальність дослідження зумовлена значною енергоємністю компресорного обладнання та необхідністю підвищення ефективності його роботи у промислових і енергетичних установках.
Об’єкт дослідження – газодинамічні процеси, що відбуваються у відцентрових компресорах.
Предмет дослідження – вплив геометричних параметрів робочого колеса й дифузора на енергетичні характеристики компресора, закономірності формування полів швидкості та тиску, а також методи їх оптимізації на основі еволюційних алгоритмів і чисельного моделювання.
Метою роботи є підвищення енергетичної ефективності відцентрового компресора шляхом удосконалення геометрії його проточної частини з використанням методів чисельного моделювання течії газу, сурогатного моделювання та еволюційних алгоритмів багатокритеріальної оптимізації.
У першому розділі виконано аналіз сучасних методів дослідження відцентрових компресорів. Показано, що традиційні підходи, засновані на спрощених одновимірних і двовимірних моделях, не дозволяють повною мірою відтворити складну тривимірну структуру течії. Обґрунтовано доцільність використання чисельного моделювання (CFD) на основі рівнянь Нав’є-Стокса та комбінованих підходів, які поєднують CFD‑аналіз із методами оптимізації.
У другому розділі розроблено математичну модель тривимірної течії у відцентровому компресорі на основі осереднених за Рейнольдсом рівнянь Нав’є-Стокса (RANS) із застосуванням сучасних моделей турбулентності. Чисельні розрахунки реалізовано в середовищі ANSYS CFX із використанням секторного підходу, що дозволило суттєво зменшити обчислювальні витрати. Отримано інтегральні характеристики компресора при різних режимах роботи, виявлено критичні області формування відривів потоку та визначено напрями підвищення ефективності.
Третій розділ присвячено верифікації та валідації створеної чисельної моделі. Проведено порівняння результатів моделювання з експериментальними даними, яке показало, що похибка розрахунків не перевищує 5 %. Виконано дослідження впливу параметрів розрахунку, зокрема щільності обчислювальної сітки, умов збіжності та граничних умов, на точність результатів. Показано, що розроблена модель може бути використана як надійний інструмент для дослідження та оптимізації проточної частини компресора.
У четвертому розділі реалізовано параметричне проєктування модернізованого робочого колеса та лопатевого дифузора із застосуванням програмних комплексів ANSYS BladeGen і Vista CCD. Досліджено вплив геометричних параметрів, зокрема кута нахилу лопатей, на характеристики компресора. Побудовано регресійні залежності, що описують зміну ступеня стискання, масової витрати та коефіцієнта корисної дії. У результаті проєктування досягнуто підвищення політропного ККД на 6 % та більш ніж триразове розширення зони високоефективної роботи.
У п’ятому розділі розроблено методику параметричної та багатокритеріальної оптимізації проточної частини компресора. На основі планування експерименту побудовано сурогатні моделі типу Kriging, що дозволило значно скоротити кількість ресурсомістких CFD‑розрахунків. Оптимізацію виконано з використанням еволюційного алгоритму NSGA‑II, що забезпечило формування Парето‑фронту компромісних рішень. Отримана оптимізована геометрія дозволила знизити втрати повного тиску в дифузорі з 23,6 % до 5,4 % та суттєво зменшити ентропійні втрати.
Наукова новизна роботи полягає у встановленні кількісних закономірностей впливу ключових конструктивних параметрів проточної частини на структуру тривимірної течії, рівень енергетичних втрат і ефективність компресора, а також у розвитку методів багатокритеріальної оптимізації на основі інтеграції CFD‑моделювання, сурогатних моделей та еволюційних алгоритмів.
Практичне значення отриманих результатів полягає у створенні ефективної методики оптимізації проточної частини компресора, що дозволяє зменшити обчислювальні витрати, підвищити енергоефективність обладнання, знизити втрати та розширити робочий діапазон. Результати роботи можуть бути використані при проєктуванні сучасних компресорів і турбомашин, а також впроваджені у виробництво та навчальний процес.
Registration Date
2026-06-23
popup.nrat_date
2026-06-23 / 2026-08-17
