بخشی از مقاله
چکیده
پمپهای جریان محوری با توجه به سادگی و موارد مصرف زیادی که در صنعت دارند، روشهای نوینی برای بالا بردن کارایی آنها در دسترس میباشد. در این بررسی، شبیهسازی عددی بر روی پمپ جریان محوری با تنظیم زاویه پرهها انجام میشود. مدل پمپ ZM60 بوده و شبیهسازی در شرایط پایا انجام گرفته است. با توجه به مغشوش بودن جریان در داخل پمپ، از مدل آشفتگی کا-اپسیلون با تابع دیواره استاندارد استفاده شده است. در این تحقیق نتایج شبیهسازی با نتایج تجربی مقایسه شده و تطبیق خوبی با هم داشتند.
زاویه پرههای پروانه در دو حالت 4 و 8 درجه تغییر داده شده و زاویههای پره راهنما جهت تنظیم شدن در هفت حالت مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج نشان میدهد، با مقایسه تغییر زاویه پره پروانه از 4 به 8 درجه میتوان مشاهده کرد، در تغییر زاویه پره به 8 درجه مقدار هد پمپ به مقدار % 0/3 افزایش و دبی به مقدار % 0/04 بیشتر شده و همچنین راندمان پمپ نسبت به زاویه 4 درجه % 1/5 افزایش پیدا کرده است. الگوی جریان بدست آمده در اطرف پره راهنما تنظیم شده میتواند، افت هیدرولیکی سیال در لحظه برخورد با پره راهنما را کاهش داده و الگوی جریان منظمی را در اطرف پرهها ایجاد کند.
مقدمه و هدف
نیاز انسان به آب و جابجایی آن از نقطهای به نقطه ای دیگر سبب شد که انسان به فکر ساخت دستگاهی که این مشکل را بر طرف کند بیافتد و اولین نمونههای پمپها که نیروی محرک آنها توسط انسان یا حیوانات تامین میشد. با توجه به نفوذ روز افزون سیستمهای هیدرولیکی در صنایع مختلف وجود پمپهایی با توان و فشارهای مختلف بیش از پیش مورد نیاز است. پمپ به عنوان قلب سیستم هیدرولیک انرژی مکانیکی را که توسط موتورهای الکتریکی، احتراق داخلی و ... تامین میگردد به انرژی هیدرولیکی تبدیل میکند.
در واقع پمپ در یک سیکل هیدرولیکی یا نیوماتیکی انرژی سیال را افزایش میدهد تا در مکان مورد نیاز این انرژی افزوده به کار مطلوب تبدیل گردد. شار اتمسفر در اثر خلا نسبی بوجود آمده به خاطر عملکرد اجزای مکانیکی پمپ، سیال را مجبور به حرکت به سمت مجرای ورودی آن نموده تا توسط پمپ به سایر قسمتهای مدار هیدرولیک رانده شود. حجم سیال پر فشار تحویل داده شده به مدار هیدرولیکی بستگی به ظرفیت پمپ و در نتیجه به حجم جابه جا شده سیال در هر دور پمپ دارد.
به طور کلی پمپ به دستگاهی گفته میشود که انرژی مکانیکی را از یک منبع خارجی اخذ و به سیال مایعی که از آن عبور میکند، انتقال میدهد. در نتیجه انرژی سیال پس از خروج از این دستگاه - پمپ - افزایش مییابد. از پمپها برای انتقال سیال به یک ارتفاع معین و یا جابهجایی آن در یک سیستم لولهکشی و یا هیدرولیک استفاده مینمایند. به عبارت کلیتر از پمپ برای انتقال سیال از یک نقطه به نقطه دیگر استفاده میکنند. پمپها دارای انواع مختلفی هستند که هرکدام دارای کاربرد خاصی میباشند.
برای آبیاری، انتقال فاضلاب، انحراف سیلابها، رانش قایقها و به طور کلی برای انتقال مایع با حجم زیاد و هد نسبتاً کم از پمپهای با جریان محوری که به آنها پمپهای ملخی و یا جریان مستقیم نیز گفته میشود استفاده میگردد. پمپ جریان محوری دارای یک پره ایمپلیر از نوع ملخی با پراپلیر است که در یک محفظه در حال حرکت است. درون یک پمپ جریان محوری، با جریان یافتن مایع بر روی تیغههای ایمپلیر ایجاد فشار میشود.
مایع در یک مسیر موازی با محور ایمپلیر نگهداشته میشود؛ در نتیجه ذرات سیال در زمان جریان یافتن درون پمپ مکان شعاعی خود را تغییر نمیدهد. در این پمپها، مایع به صورت محوری وارد ایمپلیر شده و تقریباً به صورت محوری تخلیه میشود. یکی از مفیدترین روشها برای افزایش راندمان، نصب و راهاندازی پره راهنما تنظیم شده عقب پروانه پمپ است
پرههای تنظیم شده میتوانند، افت و راندمان پمپ را با استفاده از تبدیل انرژی جنبشی به جریان چرخشی بهبود دهد که دارای یک جزء سرعت مماسی به انرژی فشاری میباشد. هنگامی که پمپ در حال کارکردن تحت شرایط طرحی باشد، زاویه حمله که باعث تلفات هیدرولیکی میشود، همیشه در لبه فرار پره راهنما وجود دارد. پرههای تنظیم شده بر روی توپی قرار دارند.
هدف در این تحقیق کاهش تلفات هیدرولیکی با استفاده از قرار دادن پره راهنمای قابل تنظیم و بهبود کارایی پمپ جریان محوری از طریق تنظیم زاویه پره راهنما میباشد. سنجش و محاسبه کردن در زمینه جریان داخلی پمپ های جریان محوری با توجه به تعامل روتور و استاتور امری دشوار میباشد، به همین منظور از رویکرد دینامیک سیالات محاسباتی برای شبیهسازی جریان استفاده خواهد شد و هم چنین نتایج شبیهسازی جهت صحهگذاری با نتایج تجربی تطبیق داده میشوند.
تئوری و پیشینه تحقیق
چین و همکارانش در سال 2000 میلادی بررسی طراحی پمپ های جریان محوری برای علم پزشکی را مورد بررسی قرار دادند .[1] هدف اصلی به کار بردن روشهایی که بتواند در حوزه پژوهشی پاسخ گویی مناسبی برای گردش خون در قسمتهای مختلف بدن داشته باشد. اینپژوهش مشخصاً به طور اساسی به طراحی و روش مطالعه تجربی پرداخته است. نتایج نشان میدهد، که با طراحی مناسب پره میزان تلاطم، ایجاد حفره بهبود یافته و این پارامترها نقش خوبی در کاهش نابودی سلولهای قرمزخون که قبلاً با پرههای دیگر بیشتر بود داشتهاند. شی و همکارانش در سال 2015 بهینهسازی پرههای پمپ جریان محوری بر اساس روش Isight را مورد مطالعه قرار دادند.
این تحقیق اثر آبشار درجه متراکم و زاویه ایرفویل در شرایط هیدرولیکی را بر روی عملکرد پره پمپ جریان محوری که ترکیبی از فن آوری بهینهسازی عددی با رویکرد دینامیک سیالات محاسباتی شبیه سازی است قرار دادند. آنها پس از بررسیهای زیاد بر روی طرح هندسی پره یک نوع پره را برای بهینهسازی انتخاب و شبیهسازی بر روی آن انجام گرفت. نتایج نشان میدهد، مقدار بهرهروی پره در حدود %0,7 بهبود پیدا کرده است
لی و همکارانش در سال 2012 مطالعه تجربی بر روی پدیده کاویتاسیون در یک پمپ جریان محوری را مورد بررسی قرار دادند [3] بر اساس آزمایشات انجام گرفته، ویژگیهای بیرونی، عملکرد پمپ مدل جریان محوری تعیین شد. در ادامه آنها در بهترین شرایط کارایی پمپ جریان محوری کاویتاسیون را مورد بررسی قرار دادند. سپس آنها جریان کاویتاسیون را بر روی پروانه پمپ با استفاده از دوربینهای که تعبیه کرده بودند مورد ارزیابی دقیق قرار دادند.
نتایج نشان میدهد، حفرههایی که در اثر ترکیدن حبابها ایجاد میشوند در وسط پره مکش آغاز شده و با افزایش حجم سیال نسبت حبابهای ایجاد شده بر روی اطراف پره عملکرد کلی پمپ را کاهش میدهد. کانگ و همکارانش در سال 2015 تأثیر تعداد پرههای استاتور راهنما بر عملکرد پمپ جریان محوری را مورد ارزیابی قرار دادند [4] در این تحقیق با نرمالیزه کردن نوع جریان آشفته k-e برای شبیهسازی سه بعدی بر روی سه پره مختلف در پمپ انجام گرفت. تعداد استاتور با پرههای بزرگ به بهبود یکنواختی توزیع سرعت محوری در خروجی پروانه کمک میکند.
در نهایت نتایج نشان میدهد، که استفاده از 7 پره میتواند نتیجه مناسبتری بر روی عملکرد و راندمان پمپ جریان محوری داشته باشد. در تحقیقی دیگر فینگ و همکارانش [5] در سال 2015 تاثیر صاف بودن پره بر فشار نوسانات در یک پمپ جریان محوری را مطالعه نمودند. در این پژوهش جریان ناپایدار به صورت سه بعدی در یک پمپ جریان محوری با شرایط مختلف صیقلی بودن میان پره پروانه و دیواره مورد شبیهسازی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد، که وجود سطح صیقلی بر روی پروانه نوسانات فشار را در منطقه کلی پروانه از مرکز تا توپی پخش میکند.
لی در تحقیقی دیگر در سال 2008 بهینه سازی هد خالص مکش در پمپ جریان محوری را مورد بررسی قرار داد [6] در این تحقیق روش دو مرحلهای برای بهینه سازی هد خالص مکش مثبت - NPSHR - مورد نیاز از پمپهای جریان محوری مورد ارزیابی قرار گرفته بود. در روش اول، هد خالص مکش در لبه و قطر پروانه بر اساس دادههای تجربی دو بعدی در تونل باد بهینهسازی شده است. سپس در بهینهسازی دوم یک بار دیگر سرعت در خروجی مورد بررسی قرار میگیرد. نتایج نشان میدهد، که بهینهسازی دوم باعث میشود تا هد خالص مکش به 37/5 درصد نسبت به بهینه سازی برای اولین بار کاهش بیابد.
آلپان و پینگ [7] در سال 2008 تحقیقی بر روی مکش معکوس پمپهای جریان محوری انجام دادند. روش این دو محقق تجربی بوده و برای تعیین اثرات هندسههای مختلف در ورودی شروع مکش ، چرخش و مصرف برق مربوط پمپ جریان محوری میباشد. نرخ جریان بحرانی در این پمپ به وسیله پارامتر فشار تعیین میشود. از مطالعات تجربی میتوان نتیجه گرفت، که مصرف برق به دلیل چرخش مکشی است کهعمدتاً توسط منطقه ورودی پروانه کنترل شده و غیر حساس به لوله ورودی است.
ژانگ و همکارانش در سال 2010 تجزیه و تحلیل جریان ناپایدار و تحقیق تجربی از پمپ جریان محوری را مورد بررسی قرار دادند [8] آنها در این تحقیق جریان سه بعدی آشفته ناپایدار در پمپهای جریان محوری که از مدل K-e RANG بر اساس معادله ناویر استوکس و حل کننده SIMPLEC برای شبیهسازی استفاده شده است. نتایج عددی نشان میدهد. که نتایج پیش بینی ناپایدار دقیق تر از نتایج ثابت و حداکثر خطا پیش بینی ناپایدار4/54 میباشد. جی و همکارانش ویژگیهای هیدرودینامیکی پمپ جت آب محوری با پره راهنما را در [9] بررسی کردند که پره راهنما می تواند، هد و راندمان پمپ را با استفاده از تبدیل انرژی جنبشی جریان چرخشی بهبود دهد که دارای یک جزء سرعت مماسی به انرژی فشاری میباشد.
همچنین تانگ و همکارانش تاثیر قرار دادن پره در خروجی پمپ جت آب محوری را در [10] مورد مطالعه قرار دادند که پره راهنمای ثابت در خروجی به طور کلی می تواند حدود 10 درصد از انرژی جنبشی را بازیابی کند. بررسی اجرای معادله ناویر استوکس به صورت شبهسازی برای یک پروژه نوسانی توسط بلت در [11-12] انجام شد که مشخص شد دینامیک سیالات محاسباتی یک ابزار موثر در مطالعه بر روی میدان جریان داخلی در پمپ و توربین بوده است. با توجه به مطالعات انجام شده بر روی پمپهای جریان محوری به نظر میرسد، شبیهسازی بر روی پمپ جریان محوری با پرههای تنظیم شده میتواند کارایی این نوع پمپها را بیشتر کند. لذا در این تحقیق به تعداد پرهها و زاویه تنظیم شده آنها پرداخت میشود.
مواد و روشها
معادلات حاکم بر جریان سیال در پمپ جریان محوری بیانگر قوانین فیزیکی بقا بصورت عباراتی ریاضی میباشند. معادلات حاکم شامل معادلات پیوستگی، ممنتوم، برنولی و معادلات آشفتگی میباشند.
