بخشی از مقاله
چکیده
امروزه با گستردگی استفاده از انرژی پاک در سراسر دنیا و به دنبال آن روشهای گوناگون استحصال انرژی پاک از دریا حضور انواع توربین های آبی به طور قابل توجهی گسترش یافته است. بنابراین بررسی عوامل مخرب بر کارکرد این توربینها اهمیت ویژهای دارد. با توجه به اینکه پدیده کاویتاسیون که به علت آثار مخرب روی پروانه توربینهای آبی یک از مشکلات مهم بشمار میرود، بررسی و مدل سازی این پدیده کمک به بهینه سازی و شناسایی محل وقوع آن میکند. از آنجاییکه کاهش فشار در توربین باعث افزایش احتمال وقوع کاویتاسیون میشود، لذا تحلیل و بررسی میدانهای فشار اطراف سیال و تیغههای پروانه توربین برای شناخت محل وقوع کاویتاسیون امری ضروری میباشد.
در این پژوهش با استفاده از نرمافزار انسیس - نسخه - 14,5 پروانه توربین جریان دریایی افقی محور نا متعارفی مدل شد تا نقاطی که فشار کاهش مییابد شناسایی شوند. نتایج این تحقیق نشان داد که لبه تیغههای پروانه این توربینها محلی است که با کاهش فشار روبهرو است.
مقدمه
حفرهزایی، یا کاویتاسیون2 پدیدهای است که در آن کاهش فشار باعث تبخیر موضعی و ایجاد حباب میشود. این پدیدهمعمولاً در پروانه کشتیها و پروانه توربینهای جریان دریایی رخ میدهد . در این پدیده فشار موضعی کمتر از فشار بخار مایع میشود. در شرایط متعارف آب در 100 درجه سانتیگراد به گاز تبدیل میشود، اما در اثر وقوع کاویتاسیون، این سیال در دماهای پایینتر بهصورت حبابهای گازی درمیآید. در این پدیده زمانیکه حبابهای گازی ایجاد شده دوباره به منطقه پر فشار وارد میشوند، میترکند. این ترکیدن حبابها، شوکی موج مانند ایجاد میکند و میتواند از طریق خوردگی حبابی به پروانههای کشتی آسیب برساند.
کاویتاسیون یکی از مشکلات مهم در حرکت داخل سیالات میباشد. دستگاهها باید طوری طراحی شوند که از بوجود آمدن و توسعه بیشتر کاویتاسیون جلوگیری شود. این پدیده نه تنها منجر به ایجاد صدا بلکه موجب تخریب وکاهش کارایی دستگاههای هیدرولیکی و پمپها و توربینها میشود و در نهایت باعث از کار افتادن اینگونه دستگاهها خواهد شد. در این خصوص تیغه پروانه توربین که یکی از مهمترین قسمتهای یک توربین جریان دریایی است از این قاعده مستثنی نبوده و در اثر آسیب به آن هزینه گزافی برای تعمیر باید صرف شود.
جریان کاویتاسیون به صورت جریانی چند فازی است و دو فاز مهمتر آن آب و بخار میباشد. وجود متداول هوا اثرات قابل توجهی در تشکیل حباب و متلاشی شدن آن دارا میباشد در نتیجه کاویتاسیون به صورت دو فازی مورد توجه قرار میگیرد که یک جریان سه بعدی بر آن حاکم میباشد. کاویتاسیون به فرمهای ثابت و متحرک یا ارتعاشی دسته بندی میشود که در تکنولوژی ساخت پروانه بیشتر به فرم ثابت آن توجه میشود.
در این نوع کاویتاسیون، جریان از مرز جامد جسم غوطهور در آب جدا شده، این جدایش تشکیل یک خلاء و یا حباب ثابت نسبت به جسم را میدهد. این نوع کاویتاسیون ظاهری شیشهای و یکنواخت دارد. به طور کلی دو مسیر منجر به تشکیل ذرات حباب میشود [1] که عبارتند از مدل شکاف ایستا ومدل ذرات ردیف شده که این روش به مفهوم خوشهای از گاز یا ملکولهای بخار با اندازه مناسب بوده که با کاهش فشار رشد میکنند. مدل ایستا به صورت عادی اینگونه فرض میشود که ذرات و هستهها در شکاف دیوارهها پنهان شدهاند.
در صورتی که در مدل دوم ذرات متحرک به صورت ردیفی در جریان اصلی سیال در نظر گرفته میشود که در نتیجه این ذرات منبع مهم کاویتاسیون محسوب میشوند. با این حال، نظریه مدلهای تشکیل ذرات، مهمترین نظریه تشکیل کاویتاسیون میباشد. در این نظریه ذرات واقع در داخل ترکهای با زاویه حاده، منبع تشکیل ذرات را تشکیل میدهند این نظریه بیان میکند که اگر یک حباب از گاز در ترک محبوس گردد و در صورتی که شرایط مهیا باشد میتواند به جای اینکه در آب حل شود در یک حالت پایدار از ترک خارج شود. البته با فرض حباب کروی به شعاع R، برای ایجاد تعادل باید اختلاف فشار داخل و خارج حباب با نیروی تنش سطحی آن بالانس باشد به گونه ای که در آن PV فشار بخار یا گاز داخلی و P1 فشار مایع یا سیال و S تنش سطحی میباشد.
با این حال هرچه حباب کوچکتر باشد طبق معادله بالا اختلاف فشار باید بیشتر باشد همچنین قابلیت حل شدن گاز نیز در سیال متناسب با فشار گاز است.
یکی از پارامترهای اصلی که در طراحی پروانه به کار می رود عدد کاویتاسیون است که به صورت زیر تعریف می شود:
عدد کاویتاسیون مقاومت جریان در مقابل کاویتاسیون را اندازهگیری میکند. هر چقدر عدد کاویتاسیون بیشتر باشد، احتمال وقوع آن کمتر است و برعکس.
عدد بی بعد σ به طور معمول برای تخمین احتمال کاویتاسیون در جریان در نظر گرفته میشود: که در آن:P فشار محیط و :V سرعت متناسب با جریان : فشار محلی می باشد.
بارنابی به بیان مفهوم کاویتاسیون و بررسی مشکلات ایجاد شده به دلیل وقوع این پدیده در شناورهای سرعت بالای کمپانیهای انگلیسی پرداخت.[2] در این تحقیق شرایط مرزی برای سرعت بالای 27 مایل دریایی تعریف شد، زیرا در این سرعت پروانه شناور دچار خوردگی میشد. باهاج و همکاران طی شبیهسازی کاویتاسیون در تونل، مدل آزمایشگاهی با اقتباس از توربین بادی NK500/4 به عنوان توربین جریان دریایی در نظر گرفتند.
این مدل با دستیابی به سرعت کاویتاسیون و نقطه شروع کاویتاسیون، مطابقت خوبی با تئوریهای عددی نشان داد. فتح العلومی با بررسی کاویتاسیون بر روی پروانه کشتی در دو حالت مختلف و شبیهسازی عددی در نرمافزار انسیس3، مدل جدیدی برای پروانه کشتی با یک استاتور پیشنهاد نمود و آن را با آزمایشات و مطالعات پیشین مقایسه نمود.
معرفت و همکاران به منظور ارائه فرمولی بهینه در اطراف سه جسم با هندسه متفاوت، شبیهسازی عددی سوپر کاویتاسیون را در اطراف یک جسم غوطهور - شناورهای تندرو زیر آبی - انجام دادند
در این پژوهش اطراف یک بدنه استوانهای،گوهای و یک جسم شناور، جریان سوپر کاویتی4 مورد بررسی قرار گرفت. در هر سه مرحله، اعداد مختلف کاویتاسیون استخراج شد و روابطی متناسب با ضرایب ارائه شد. اوسر و بال به شبیهسازی کاویتاسیون در توربینهای جریان دریایی افقی محور پرداختند.
در این تحقیق با استفاده از روش المان مرزی و بکارگیری روش المان مومنتوم، ضریبهای برآ 5 و پسا 6 کاویتاسیون روی پروانه توربین محاسبه و مدل ارائه شده با آزمایشات پیشین صحت سنجی شد . ژی ژنگ و گرت کوپیر مقطع تیغه پروانه دریایی را با بیشنه سرعت کاویتاسیون طراحی نمودند.
در این مقاله سعی شده تا مقطع بهینه و کارآمد با برنامه اپلر7 طراحی شود و به منظور صحت سنجی طراحی خود این بهینه سازی با معالادات ریونلدز - استوکس مقاسیه گردیده است. با توجه به اینکه عوامل بسیار زیادی در کارکرد توربینهای جریان دریایی موثر اتان و همکاران در مقالهای تاثیر جاذبه امواج سطحی را بر کارکرد این توربینهای مورد بررسی قرار دادند.
به علت سرعتهای متغییر امواج . در این پروهش یک توربین جریان دریایی افقی محور 2تیغه با قطر 80 سانتیمتر در مخزن با دو عمق متفاوت مورد بررسی آزمایشگاهی قرارگرفتهاست. پس از بررسی مشخص شد امواج بر سرعت چرخشی و گشتاور تاثیر مستقیم دارند و بهتر است توربینها به شکل عمودی در عمقی ازآب قرار بگیرند که کمترین خستگی به سازه وارد شود.
در تحقیقات پیشین غالبا از مدلهای آزمایشگاهی که نیازمند صرف هزینه و زمان بسیاری است، استفاده شده است. در بسیاری از این پژوهشها نیز، پدیده کاویتاسیون در پروانه کشتی مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین، در بیشتر تحقیقات، بررسی کاویتاسیون با استفاده از روشهای عددی و محاسباتی انجام شده و در آنها از ابزار پیشرفته و توانمندی استفاده نشده است. این پژوهش تحلیل میدانهای فشار در توربین جریان دریایی افقی محور را با استفاده از ابزار مناسب مدلسازی نمودهاست تا با بررسی میدانهای فشار نقاطی که در آنها احتمال وقوع کاویتاسیون زیاد است مشخص شود.
روش تحقیق
در این تحقیق مدل استفاده شده و مشخصات هندسی و شرایط محیطی آن از توربین بادی - NK500/4 مدل ساخته شده توسط - [3] برگرفته شده است. تحلیل میدانهای فشار با استفاده از نرمافزار انسیس انجام شده است. این نرمافزار میتواند برای مدلسازی جریان سیال، انتقال حرارت و واکنشهای شیمیایی در هندسههای پیچیده مورد استفاده قرار گیرد.
شرایط محیطی
دمای آب درشرایط آزمایشگاهی 25± 2 stp درجه سانتیگراد میباشد. برای مدلسازی دمای آب 300 درجه کلوین یا 27 درجه سانتیگراد درنظرگرفته شده است. برای مدلسازی اثرات زبری در نرمافزار باید دو پارامتر ارتفاع زبریKs 8 و ثابت زبری 9 مشخص گردد. به طور معمول ارتفاع زبری برابر ارتفاع متوسط و ثابت زبری که به نوع زبری سطح بستگی دارد برابر با 0/5 درنظر گرفته میشود.
مدلسازی پروانه توربین انتخاب شده در این تحقیق دارای 3 تیغه با شکل نامتعارف است. هندسه مدل به همراه مشخصات آن در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل :1 هندسه مدل پروانه توربین
مدلسازی پروانه در چهار مرحله -1 تعیین نقاط مقاطع تیغه در شعاعهای مختلف -2 مدلسازی سطح و حجم تیغه -3 تعیی ن نواحی و شرایط مرزی -4مشبندی مدل و دامنه انجام شده است. پرههای پروانه انتخابی نامتعارف و زاویه پره در طول متغیر است. شکل 3 تغییرات مقطع در زوایای مختلف پره را نشان میدهد.
شکل :2 نقاط مقاطع پروانه توربین در زوایای مختلف
مدلسازی سطح و حجم تیغه توربین با استفاده از نرمافزار اوتکد10 سه بعدی مدل شده است
