Geometrické modelování v průmyslových aplikacích

Ing. Kristýna MICHÁLKOVÁ

Doctoral thesis

Geometric modelling in industrial applications

Abstract:

This doctoral thesis deals with geometric modelling in industrial applications. The main goal is to describe the shape of water turbines with the help of modern geometric approaches. Therefore, we apply B-spline/NURBS objects to define hydraulic profiles of water turbines and we propose geometric parametrizations that depend on several parameters (length, width, height, angles, ...). Thus, we obtain dynamic models that could be further optimized with the help of isogeometric analysis (IGA). The usage of these dynamic models should improve the current methodology of turbine design. Nowadays, the result of the flow analysis (obtained with CFD solver) for one particular model is used for manually modified the turbine models in CAD systems with help of experience of designers to improve selected utility quantities (e.g. efficiency, cavitation). Thus, the design process should be more automatized. The thesis is divided into two parts. In the first part of the thesis, we focus on the description of blades of water turbines (Pelton turbine bucket, blades of Kaplan and Francis turbines). The Pelton turbine bucket is described with the help of the new algorithm for obtaining the approximate tangent surface for given variable angle along its splitter or output from the bucket. Kaplan and Francis turbine blades are described with the help of important curves: camber line and the function of thickness. In the second part of the thesis, we deal with B-spline volumetric parameterization of Kaplan and Francis turbines for the given B-spline boundary surfaces. These parameterizations serve as input to flow analysis through the turbine based on isogeometric analysis. Moreover, the different approaches to the construction of these parameterizations are presented and the comparison of these approaches with respect to selected important properties of obtained parameterizations is given.

Abstract:

Tato práce se zabývá geometrickým modelováním v průmyslových aplikacích. Hlavním cílem je popsat tvar vodních turbín s pomocí moderních geometrických metod. Proto byly použity B-spline/NURBS objekty pro definici hydraulických profilů vodních turbín a dále byly navrženy geometrické parametrizace, které jsou závislé na několika proměnných parametrech (délka, šířka, výška, úhly,...). Získáme tak dynamické modely, jež můžeme následně optimalizovat s pomocí isogeometrické analýzy (IGA). Díky tomu bude zlepšena nynější metodologie designu turbín, kdy analýza proudění je provedena pro jednu konkrétní turbínu a po obdržení výsledků z CFD systému je následně manuálně pozměněn CAD model turbíny na základě zkušeností konstruktéra a to tak aby došlo ke zlepšení vybraných vlastností (např. účinnosti nebo kavitace). Proces návrhu turbíny by tedy měl být více zautomatizován. Práce je rozdělena do dvou částí. V první části se zaměříme na popis lopatek vodních turbín (koreček Peltonovy turbíny, lopatky Kaplanovy a Francisovy turbíny). Pro koreček Peltonovy turbíny je uveden nový algoritmus k sestrojení aproximační tečné plochy pro daný proměnný úhel. Lopatky Kaplanovy a Francisovy turbíny jsou sestrojeny za pomocí významných křivek: střednice a funkce tloušťky. V druhé části se zabýváme B-spline objemovou parametrizací Kaplanovy a~Francisovy turbíny pro dané hraniční B-spline plochy. Tato parametrizace je následně použita jako vstup do IGA řešiče a může se tak analyzovat proudění turbínou. Zároveň jsou uvedeny různé možnosti parametrizací, které jsou poté porovnávány na základě vyhodnocení různých vlastností parametrizace.

Keywords

B-spline/NURBS objekty, Isogeometrická analýza, Vodní turbíny, koreček Peltonovy turbíny, Kaplanova turbína, Francisova turbína

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 8. 1. 2017

Zverejniť od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / odbor:
Applied Mathematics / Applied Mathematics