بخشی از مقاله
چکیده
جهت انتقال یا افزایش فشار گازها از فن ها یا دمنده ها و یا کمپرسورها استفاده می شود. در این مقاله به تحلیل عددی یک دمنده سانتریفیوژ با پره های مستقیم با استفاده از مدل چارچوب مرجع چندگانه توسط نرم افزار فلوئنت پرداخته شده است. مدل چارچوب مرجع چندگانه در واقع یک تقریب حالت دائم در نواحی سلولی مشخص می باشد که هر ناحیه سلولی دارای سلول های مختلف چرخشی یا انتقالی می باشد و زمانی که در مرز این نواحی جریان تقریبا یکنواخت است استفاده از مدل چارچوب مرجع چندگانه مفید خواهد بود.
به طور کلی اثرات غیر دائمی به واسطه بر هم کنش رتور و استاتور ایجاد می شوند. در صورتی که این اثرات غیر دائمی کوچک باشند می توان از مدل چارچوب مرجع چندگانه استفاده کرد. دلیل دیگری که استفاده از مدل چارچوب مرجع چندگانه را قبول کرده است به کارگیری آن به عنوان یک حدس اولیه برای مدل شبکه لغزان می باشد زیرا باعث حذف محاسبات اولیه در مدل شبکه لغزان خواهد شد.
با این وجود در جاهایی که اثرات قوی رتور و استاتور بر روی هم وجود دارد نباید از مدل چارچوب مرجع چندگانه استفاده کرد. در این حالت ها باید مدل شبکه لغزان را به کار گرفت. بر طبق نتایج حاصل از حل عددی ، در کانتور سرعت کمترین مقدار سرعت در اطراف حلزونی بر طبق شرط عدم لغزش ، صفر محاسبه شده است. همچنین هوای ورودی به دمنده در ناحیه ای که پره ها قرار گرفته اند به علت چرخش پره ها سرعت می گیرد و سپس با سرعت نسبتا زیاد از این ناحیه خارج می گردد. هرچه از پای پره به سمت نوک پره پیش می رویم سرعت افزایش می یابد که این امر به دلیل حرکت دورانی پره ها می باشد و این موضوع در کانتور بردارهای سرعت نشان داده شده است.
.1 مقدمه
برخی از جریان ها حاوی دامنه هایی هستند که شامل مولفه های متحرک یا دوار می باشند. به طور کلی دو نوع حرکت جابجایی و دورانی وجود دارد. برای مدل سازی دامنه های متحرک دو نوع روش بنیادی وجود دارد:
✓ چارچوب مرجع متحرک - Moving Reference Frame -
معادلات انسیس فلوئنت در چارچوب مرجع ثابت حل می شوند. گاهی نیاز است تا معادلات در یک چارچوب مرجع متحرک حل شوند. چنین مسائلی معمولا دارای بخش های متحرکی - نظیر چرخش پره ها و پروانه ها - هستند و جریان اطراف بخش متحرک در حال بررسی می باشد.
با استفاده از چارچوب مرجع متحرک مساله در حالت پایا باقی می ماند و معادلات اصلاح می شوند.
در تعدادی از مسائل می توان کل دامنه محاسباتی را به یک چارچوب مرجع ارجاع داد. این رویکرد تحت عنوان چارچوب مرجع منفرد - Single Reference Frame - SRF - - نامیده می شود درحالی که در بیشتر هندسه های پیچیده نمی توان کل دامنه محاسباتی را به یک چارچوب ارجاع داد. در این موارد باید مساله به چند ناحیه سلولی تجزیه شود.
در این حالت دو رویکرد چارچوب مرجع چندگانه - Multiple Reference Frame - MRF - - و مدل صفحه اختلاطی - Mixing Plane Model - MPM - - وجود دارد.
✓ دامنه های متحرک / تغییر شکل دهنده - Moving / Deforming Domains -
مکان و شکل دامنه نسبت به یک مرجع دوار ردیابی می شوند و در این حالت ، حل ذاتا گذرا است. به عنوان مثال می توان به حرکت پیستون در یک سیلندر موتور و حرکت بالون به سمت بالا اشاره نمود.
شکل -1 معرفی چارچوب های مرجع متحرک و دامنه متحرک
.1,1 مدل چارچوب مرجع منفرد - Single Reference Frame - SRF - -
در SRF تمامی محدوده محاسباتی به یک چارچوب مرجع یکتا نسبت داده می شود و تمام حرکات سیال با توجه به مرجع متحرک تعریف می شود.
چارچوب های گردان ، شتاب های اضافی به معادلات مکانیک سیالات اضافه می کنند که در صورت فعال شدن یک چارچوب مرجع متحرک این معادلات توسط انسیس فلوئنت اضافه می شوند. در ترم های چرخشی بزرگ با توجه به درجه کوپل زیاد بین معادلات مومنتوم با مشکل مواجه می شویم که باعث گرادیان فشار شعاعی جریان در جهت های شعاعی و محوری می گردد. این کوپل موجب ناپایداری در فرآیند حل شده و باید روش های حل ویژه ای را برای همگرایی به کار گرفت.
برخی از این روش ها عبارت اند از:
✓ تنها در حلگر Pressure-based Segregated از روش PRESTO> استفاده نماییم.
✓ مطمئن شویم که مش ها به اندازه کافی ریز هستند تا بتوانند گرادیان های بزرگ فشار و سرعت چرخشی را حل نمایند.
✓ تنها در حلگر مبتنی بر فشار فاکتورهای Under-Relaxation برای سرعت ها را تا 0/3-0/5 کاهش دهیم. درصورت نیاز می توان این فاکتورها را بیشتر نیز کاهش داد.
✓ محاسبات را با سرعت های دورانی پایین آغاز نموده و به تدریج سرعت دورانی را افزایش دهیم.
.2,1 مدل چارچوب مرجع چندگانه - Multiple Reference Frame - MRF - -
بسیاری از مسائل نقاط متحرک مربوط به اجزای ساکنی هستند که نمی توانند به وسیله سطوح گردش تعریف شوند.
چنین سیستم هایی می توانند از طریق تقسیم محیط به چند محیط سیال حل شوند. تعدادی از محیط ها گردان و بقیه ثابت خواهند بود. مناطق چندگانه در یک یا چند سطح مشترک با هم تماس دارند.
دامنه محاسباتی به نواحی ساکن و دوار تقسیم می شود. سطوح واسط ، نواحی را از هم جدا می کنند. سطوح واسط می توانند منسجم - Conformal - یا غیر منسجم - Nonconformal - باشند و معادلات جریان در هر ناحیه سیال حل می شوند.
فرض می شود جریان در هر ناحیه پایا باشد. معادلات MRF در نواحی دوار به کار می روند. در سطوح واسط بین نواحی دوار و ساکن انتقالات مناسبی از بردار سرعت و گرادیان های سرعت برای محاسبه دبی های جرمی ، مومنتوم ، انرژی و سایر اسکالرها اعمال می شود.
در واقع MRF از حرکت های نسبی نواحی نسبت به یکدیگر صرف نظر می کند و برهم کنش بین مولفه های ساکن و دوار را در سیال دینامیکی در نظر نمی گیرد. به صورت ایده آل ، جریان در سطوح واسط MRF نسبتا یکنواخت یا مخلوط شده است.
.3,1 مدل صفحه اختلاطی - Mixing Plane Model - MPM - -
MPM مدلی است که استفاده از روش های حل حالت پایا را برای توربوماشین های چندین مرحله ای محوری و سانتریفیوژ ممکن می سازد. محیط از مناطق سیال چندگانه ، تک مرحله ای ، گردان و ساکن تشکیل شده است. هر ناحیه دارای ورودی ، خروجی ، دیواره و شرایط مرزی پریودیک می باشد. - یعنی هر منطقه یک مدل SRF است - . حل های حالت پایا SRF در هر ناحیه بدست می آیند به طوری که مناطق مختلف با انتقال شرایط مرزی از منطقه ای به منطقه دیگر به یکدیگر متصل می شوند. شرایط مرزی اتصال مناطق به یکدیگر The Mixing Plane Model نامیده می شوند. با همگرا شدن حل ، شرایط مرزی MPM با شرایط جریان در آن لحظه تطبیق خواهد یافت
هدف از این مقاله مدل سازی یک دمنده سانتریفیوژ با پره های مستقیم با استفاده از مدل چارچوب مرجع چندگانه و تولید شبکه محاسباتی مناسب جهت ایجاد فضای محاسباتی مورد نیاز و بررسی جریان سیال درون آن به صورت دو بعدی و پایا است.
.2 مدل سازی هندسی
برای شروع استفاده از یک نرم افزار CFD ابتدا لازم است مدل مورد نظر توسط یک نرم افزار مدل سازی طراحی شود. پس از طراحی مدل می توان آن را با یکی از فرمت های قابل تعریف در برنامه تولید شبکه ذخیره نمود. نرم افزار گمبیت یکی از مشهورترین نرم افزارهای مدل سازی و تولید شبکه می باشد که قادر به تولید هندسه های دو بعدی و سه بعدی و شبکه بندی آنها جهت تحلیل عددی توسط نرم افزار فلوئنت است.
