بخشی از مقاله
خلاصه
پمپ های گریز از مرکز در صنایع مختلف، کاربردهای فراوانی دارند . از این رو در این مطالعه، تاثیر تعداد پره های مختلف را برروی عملکرد پمپ گریز از مرکز به صورت عددی بررسی می نماییم. برای بررسی، جریان در پروانه و حلزونی پمپ به صورت عددی با نرم افزار سی اف ایکس شبیه سازی شده است. روش عددی حجم محدود به همراه مدل آشفتگی کا- امگا- اس اس تی برای تحلیل عددی مورد استفاده قرار گرفته است. جریان در پروانه و حلزونی به ترتیب با دستگاه مختصات چرخان و ساکن تحلیل شده است و نتایج با رابط روتور ایستا به یکدیگر کوپل شده اند. مطالعه برای 5 پروانه با تعداد پره های 5 ،6 ،7 ، 8 و9 صورت گرفته است. منحنی هد - دبی پمپ گریز از مرکز 6 پره ای با یک مدل واقعی مقایسه شده است، با توجه به کم بودن خطای عددی می توان با اطمینان بالا از این مدل شبیه سازی شده، استفاده کرد. نتایج، حاکی از افزایش هد با افزایش تعداد پره می باشد.
1. مقدمه
از زمانهای گذشته بشر به فکر ساخت تجهیزاتی برای آسان نمودن کارهای روزمره بوده است. یکی از این تجهیزات که بخصوص برای بهره برداری از منابع آبی مورد توجه قرار گرفته پمپها هستند که به تدریج تکامل یافته و به شکل امروزی در آمدهاند . [1] پمپ ها وسیله ای هستند که انرژی مکانیکی را از یک منبع خارجی اخذ و به سیالی که از آن عبور می نماید، انتقال می دهند و انرژی سیال را بعد از خروج از ماشین افزایش می دهند. از این دستگاه برای انتقال سیال به یک ارتفاع هندسی معین و یا حرکت سیال در مدارهای مختلف هیدرولیکی و سیستم های لوله کشی و به طور کلی انتقال سیال به نقطه ی دیگر استفاده می شود.
امروزه، سیستم های پمپینگ خواستار 20 درصد انرژی الکتریکی جهان هستند و در حدود 25 تا 50 درصد در عملکردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند . [2] سیستم های پمپینگ به طور گسترده در صنعت برای ذخیره انرژی، بهبود سیستم های سرد کننده و سرویس های روغن کاری، انتقال سیال برای عملکرد های خاص و برای بهبود نیروهای وارده در سیستم های هیدرولیکی مورد استفاده قرار می گیرند. پمپ ها در سیستم های صنعتی 27 درصد برق تولیدی را مصرف میکنند، در نتیجه بهبودی عملکردهای انرژی و کاویتاسیون پمپ ها مهم به نظر میرسد. [3]
یکی از پارامترهای اساسی در مورد انتخاب پمپ ها میزان هد تولیدی است که تابع پارامترهای مختلفی از جمله قطر پروانه ، سرعت دورانی پمپ، دبی پمپ، زاویه خروجی پره ها و تعداد پره ها است 4]و.[5 در طراحی پمپ ها معمولا از نظریه یک بعدی اولر استفاده می شود و به منظور اطمینان از یک بعدی بودن جریان در این نظریه ، تعداد پره ها بی نهایت با ضخامت صفر در نظر گرفته می شود که در عمل غیر ممکن است. در نتیجه با کاهش تعداد پره ها جریان در فضای بین پره ها از حالت یک بعدی خارج شده و به طور کامل از پروفیل پره ها پیروی نمی کند [6] که منجر به کاهش مقدار هد پمپ به کمتر از هد اولر می شود . [7]
محققین زیادی به طراحی و تحلیل عملکرد پمپ های گریز از مرکز با استفاده از روشهای عددی پرداخته اند .[11-8]روش تحلیل عددی به ما اجازه می دهد که اطلاعات را در موقعیت هایی که آزمایش عملی ممکن نیست، بدست آوریم. بیشتر پژوهش ها که توسط متخصصین انجام گرفته است، در حالت طراحی یا نزدیک به طراحی بوده است. تعداد کمی از تلاشها برای مطالعه عملکرد خارج از طراحی وجود داشته است. به علت پیشرفت دینامیک سیالات محاسباتی ، می توان مقادیر عملکرد محاسبه شده بوسیله نرم افزارهای شبیه سازی شده را به مقادیر عملی نزدیک یافت. پیش بینی رفتار در موقعیت فیزیکی داده شده تاثیر گرفته از متغیرهای حاکم بر مسئله، مورد بررسی می باشد.
دینامیک سیالات محاسباتی 1 یک ابزار طراحی صنعتی است که به کاهش هزینه و زمان طراحی در جهان مهندسی کمک می کند. دینامیک سیالات محاسباتی یک مدل مقرون به صرفه و دقیق را به جای مدل تست فراهم می کند. با کمک رایانه می توان سرعت طراحی را بالا برد، به دلیل اینکه ساخت هندسه و شبکه بندی آن به آسانی صورت می گیرد. در این مقاله برای تحلیل عددی، حالت پایای سه بعدی برای پمپ گریز از مرکز با تعداد پره های 5 ،6 ،7 ، 8 و9 از نرم افزار انسیس سی اف-ایکس 215 برای پمپ اتانرم 65-200 شرکت پمپیران در نظر گرفته شده است. پمپ مورد بررسی با قطر پروانه ی 209 میلیمتر ، زاویه ی خروجی پره ها 27/5 درجه و عرض پروانه در خروجی 17 میلیمتر در نظر گرفته شده است. پمپ با سرعت 1450 دور در دقیقه کار می کند.
2. معادلات حاکم :
جریان در توربوماشینها به دلیل بالا بودن عدد رینولدز آشفته است. بنابراین به منظور تحلیل جریان از مدلهای آشفتگی استفاده می شود. در متوسط گیری جریانهای تراکم ناپذیر حالت دائمی، معادلات بقاء را میتوان بر اساس مقادیر متوسط رینولدزی یا متوسط گیری زمانی حل کرد که متداول ترین روش در مدلسازی جریانهای آشفته روش متوسط گیری زمانی است. با استفاده از این روش، برای جریانهای تراکم ناپذیر، شکل کلی معادلات حاکم را می توان به صورت روابط 1تا 4 بیان نمود. در این معادلات اثرات عبارتهای ناشی از دوران جریان شامل نیروهای کریولیس و گریز از مرکز را نیز می توان به کمک اضافه نمودن عبارت چشمه به معادلات ممنتوم، مدلسازی کرد . [12]
معادلات اساسی موجود با استفاده از روش حجم محدود گسستهسازی و سپس حل میشوند. برای حل معادلات میتوان از دستگاه مختصات چرخان یا ثابت استفاده نمود. اگر دستگاه مختصات چرخان مورد استفاده قرار گیرد جریان در پروانه پایا و در حلزونی ناپایا میشود اما چنانچه دستگاه مختصات ساکن به کار گرفته شود جریان در پروانه ناپایا و در حلزونی پایا خواهد بود. بنابراین معادلات یکبار با دستگاه مختصات چرخان برای پروانه و بار دیگر در دستگاه مختصات ساکن برای حلزونی حل شده اند.
برای استخراج نتایج کلی و شبیهسازی جریان در کل پمپ، حل دو مرحلهای فوق توسط رابط روتور ایستا1 به یکدیگرکوپل گشتهاند .[14] برای مدلسازی آشفتگی در داخل پمپ نیز از مدل کا-امگا اساستی2 استفاده خواهد شد. این مدل به همراه تابع دیوارهی اتوماتیک3، هم در نزدیکی دیواره و هم در نواحی دورتر نتایج مطلوبتری ارائه میدهد .[13] به عبارت دیگر در این مدل، نواحی نزدیک دیواره توسط مدل کا-امگا4 و نواحی دورتر از دیواره بر مبنای مدل کا-اپسیلون5 شبیهسازی میگردند تا از مزایای هر دو روش استفاده شود .[15]
3. شبیه سازی سه بعدی :
فضای محاسباتی به دو ناحیه مجزا شامل پروانه و حلزونی تقسیم شده است. ناحیهی حلزونی، که به همراه سیال داخل آن ساکن در نظر گرفته شده است. ناحیه پروانه که شامل پروانه و سیال داخل آن میباشد با سرعت زاویهای 1450 دور در دقیقه در حال دوران است. شرط مرزی در خروجی پمپ که در ناحیه حلزونی واقع است، به صورت دبی عبوری از پمپ تعیین خواهد گردید. مکش پمپ در ناحیه پروانه قرار داشته و به صورت فشار کل مکش معرفی می گردد. کلیه دیوارههای موجود در ناحیه حلزونی و پروانه به صورت دیواره بدون لغزش معرفی شدهاند، با این تفاوت که دیوارههای ناحیهی حلزونی ساکن و دیوارههای ناحیهی پروانه در حال دوران با سرعتی برابر با سرعت پروانه هستند. شرایط مرزی بکار رفته در شکل 1 نشان داده شدهاند.
