بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازی جریان در واحد بیرونی یک کولر گازی دوتکه
چکیده - در این پژوهش، واحد بیرونی کولر گازی دوتکه و پروانه محوری درون آن مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی عددی رفتار جریان سیال شامل مدلسازی هندسی، تولید شبکه و حل جریان در فضای محاسباتی واحد بیرونی میباشد. مدل سازی هندسی با نرمافزارهای طراحی بهکمک کامپیوتر (CAD) صورت گرفته است. سپس، ناحیه محاسباتی ایجادشده به نرمافزار تولید شبکه انتقال یافته و شبکهای متراکم درون هندسه پیچیده پروانهی محوری تولید شده است. تولید شبکه بر اساس اعمال توابع اندازه کارآمد بهمنظور ریزسازی شبکه حول پرهها و پیشگیری از تراکم بیش از حد شبکه در سایر نواحی میباشد. فضای محاسباتی با سلولهای بیسازمان تتراهدرال گسسته شده و با تعیین شرایط مرزی و چارچوب مرجع چرخان به حل جریان پرداخته شده است. بهمنظور شبیهسازی جریان آشفته درون فن از مدل آشفتگی k −ε تحققپذیر استفاده شده است. نتایج حل جریان به صورت توزیع فشار، توزیع سرعت و نمایش خطوط جریان در مقاطع مختلف ارایه شده است. مقایسه نتایج عددی و آزمایشگاهی برای واحد بیرونی نشان داد که اختلاف نرخ جریان خروجی، % 6/4 است.
کلید واژه- پروانه محوری، شبیهسازی جریان، کولر گازی دو تکه، گردابه، محیط متخلخل
-1 مقدمه
استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی برای پیشبینی رفتار جریان در عرض چند دهه گذشته پیشرفت چشمگیری داشته است. امروزه، دینامیک سیالات محاسباتی به صورت یک ابزار قدرتمند و توانا برای تحلیل رفتار جریان سیال در سیستمهای با معادلات حاکم پیچیده و هندسههای ناموزون برای محققان و مهندسان درآمده است. پیچیدگی معادلات حاکم، تأثیر متقابل پدیده های فیزیکی مختلف، گذرا بودن اغلب مسائل مهندسی، بالا بودن هزینههای مربوط به تجهیزات آزمایشگاهی و محدودیت استفاده از دستگاههای اندازهگیری در بسیاری از مسایل علمی، از جمله دلایلی هستند که استفاده از روشهای تحلیلی و آزمایشگاهی را در مقایسه با روشهای عددی محدود میکند.
آمانو و همکاران [1] جریان ناپایدار حول یک فن جریان محوری مورد استفاده در صنعت تهویه ی مطبوع را با حضور و بدون حضور رادیاتور شبیهسازی کردند. برای شبیهسازی رادیاتور از فرض محیط متخلل برای رادیاتور استفاده گردید. آنها با بررسی مراحل مختلف نشان دادند که با اضافه کردن رادیاتور، دبی ورودی کاهش مییابد. آنها همچنین نشان دادند که فشار بیشینهی استاتیک روی نوک پره افزایش مییابد.
وانگ و وو در سال 2006، به بررسی عددی تشکیل گردابه در پروانهی فن یک کولر گازی پرداختند. میدان جریان دایم، تراکمناپذیر و مغشوش درون فن جریان محوری یک کولر گازی با استفاده از مدل اغتشاشی تکمعادلهای اسپالارت- آلماراسP Pمورد بررسی قرار گرفت. آنها به این نتیجه رسیدند که نرخ جریان یک اثر بسیار مهم در موقعیت محوری گردابهی نوک دارد، درحالیکه اثر آن روی موقعیت شعاعی گردابه ناچیز است .[2]
جیانگ و همکاران در سال 2007 صدای آیروآکوستیک فن جریان محوری در یک کولر گازی را بررسی کردند. آنها این مطالعه را با هدف درک مکانیزم تولید صدا و همچنین، برای توسعهی روش پیشبینی میدان فشار آکوستیک واحد بیرونی انجام دادند. سپس، میدان جریان را بهکمک کد تجاری فلوئنت بهدست آورده و نشان دادند که گردابهی نوک، نقش اصلی را در میدان جریان لبهی نوک بازی میکند و یک اثر برگشتی بزرگ بر روی جریان دارد .[3]
بحرینیان و بخشش در سال 2009، در زمینه مدلسازی و شبیهسازی جریان، به بررسی پروانه یک توربوپمپ گریز از مرکز پرداختند. آنها با ترکیب روشهای اندازهگیری مستقیم و غیرمستقیم، هندسهی پیچیدهی پروانه ی یک پمپ گریز از مرکز را بهدست آوردند. سپس، جریان سیال لزج درون پروانه را شبیهسازی و بررسی کردند .[4]
جیP P و همکاران در سال 2010 در یک پژوهش عددی و آزمایشگاهی به بررسی سیستم فن جریان محوری درون واحد بیرونی یک کولر گازی دو تکهی دو طبقه پرداختند. آنها ابتدا با استفاده از روش سرعتسنجی تصویر ذره (PIV) عملکردهای آیرودینامیکی و آیروآکوستیکی این اسپلیت را بررسی کرده و سپس، شبیه سازی عددی را با استفاده از کد محاسباتی فلوئنت انجام دادند. تئوری صوت گردابه نشان میدهد که نویز پهنای باند واحد بیرونی عمدتاً توسط ریزش گردابه در لبه فرار پروانه
ایجاد میشود، در حالیکه نویز گسسته توسط گردابه در لبهی نوک پروانه ایجاد میشود .[5]
در تحقیق حاضر با استفاده از طراحی بهکمک کامپیوتر (CAD ) و دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به بررسی جریان عبوری از واحد بیرونی یک کولر گازی دو تکه پرداخته شده است. ابعاد کولر گازی مورد مطالعه 840330850 میلیمتر میباشد . شماتیک واحد بیرونی کولر گازی مورد مطالعه در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل :1 شماتیک از واحد بیرونی کولر گازی مورد مطالعه
-2 شبیهسازی CFD
یک شبیهسازی CFD شامل سه مرحلهی اصلی مدلسازی هندسی، تولید شبکه ی محاسباتی و حل معادلات حاکم بر جریان میباشد.
1-2 مدلسازی هندسی
مدلسازی هندسی واحد بیرونی کولر گازی به دلیل دارا بودن پیکرهای متشکل از اجزای مختلف از جمله کمپرسور، مبدل حرارتی، پروانه محوری، پوسته و سایر اجزای کولر فرآیند پیچیده و زمان بری محسوب میشود. برای تسهیل این فرآیند، هندسه پیچیدهی واحد بیرونی به هندسههای ساده تر تفکیک میشوند. این هندسهها در واقع همان اجزای تشکیلدهنده واحد بیرونی هستند. هر هندسه بهصورت جداگانه مدلسازی و در نهایت با برهمنهش هندسههای مدلسازیشده، مدل هندسه پیچیده نهایی تولید میشود.
پروانه محوری، پیچیدهترین هندسه موجود در این سیستم را دارا میباشد. برای بهدست آوردن مدل هندسی جسم، باید ابعاد هندسی جسم موردنظر اندازه گیری شود. برای اندازهگیری این ابعاد روشهای مختلفی نظیر اسکن لیزری، قالبگیری، وسایل اندازه گیری مختلف مانند کولیس، ریزسنج و روشهای مختلف دیگر وجود دارد [6]، اما هر کدام از این روشها و ابزارها بسته به هندسه جسم محدودیتهایی دارند. انحناهای شدید و ضخامت کم و متغیر موجود در هندسه پروانه باعث شده تا ابزارهای اندازهگیری بهتنهایی نتوانند موقعیت دقیق نقاط روی پروانه را تعیین کنند. بنابراین برای تعیین مدل هندسی پروانه راهکارهای دیگری ارایه شده است. مجموعه این راهکارها منجر به فرآیند جدیدی در بهدست آوردن هندسه پیچیده اجسام شده است. برای این منظور، مدلسازی هندسی پروانه با اندازهگیری ابعاد، با استفاده از وسایل اندازهگیری مستقیم و استفادهی همزمان از نرمافزارهای طراحی بهکمک کامپیوتر صورت پذیرفته است . در مدلسازی هندسی پروانه، تیغهی فن در چند مقطع برش داده میشود و اطلاعات آن به نرم افزارهای طراحی به کمک کامپیوتر انتقال مییابد. در این نرمافزارها، سطوح انتقال یافته با استفاده از روشهای برازش منحنی به هم متصل شده و انحناهای نهایی بهدست میآید. در صورتیکه انحنای بهدست آمده از دقت کافی برخوردار نباشد، تعداد سطوح برشخورده و انتقالیافته افزایش مییابد.
فن مورد استفاده در واحد بیرونی کولر گازی دو تکه از نوع جریان محوری پروانه ای است (شکل .( 2 فنهای پروانهای سادهترین، سبکترین و ارزانترین نوع فنهای جریان محوری هستند که برای حجم زیاد هوا و اختلاف فشار استاتیکی کم استفاده میشوند .[7] شکل 2 هندسه نهایی پروانهی محوری را 5D 5 D 6 D تعریف میشود. شکل 4 این فضای محاسباتی نشان میدهد. با استفاده از روشهای اندازهگیری مستقیم برای را نشان میدهد.
سایر قسمتهای کولر گازی و برهمنهش آنها، هندسه نهایی واحد بیرونی بهدست میآید. شکل 3 هندسه مدل هندسی واحد بیرونی یک کولر گازی دوتکه را نشان میدهد.
2-2 شبکه ی محاسباتی
دامنه ی محاسباتی واحد بیرونی در شکل 4 نشان داده شده است. ناحیه مربوط به دامنه محاسباتی به گونهای در نظر گرفته شده است که بتواند به خوبی فضای اطراف واحد بیرونی کولر گازی را برای دستیابی به اهداف مورد نظر پژوهش، پوشش دهد. اگر ارتفاع کولر گازی را با D مشخص کنیم، دامنه محاسباتی بهصورت دو ناحیهی بالادست واحد بیرونی به ابعاد و ناحیهی پاییندست واحد بیرونی به ابعاد تعریف میشود . شکل 4 این فضای محاسباتی را نشان میدهد .
فشار ورودی ها و خروجی های جریان در ناحیه بالادست و پاییندست واحد بیرونی، فشار اتمسفر است. این دامنه با شبکه ی
چهار وجهی بیسازمان، با نرمافزار تولید شبکه ی گمبیت، به سلولهای محاسباتی گسسته شده است. شبکه ی محاسباتی واحد بیرونی در شکل 5 نشان داده شده است. شبکهها به دو ناحیه ی چرخان و ثابت تقسیم شدهاند. بخش چرخان شبکهها، یک ناحیهی استوانهای است که در شکل 6 نشان داده شده است.
بخش دیگر، شامل ناحیههای ثابت بدون چرخش هستند. شبکه ی تولید شده روی سطح فن در شکل 7 نشان داده شده
است.
لازم به ذکر است که برای شبیهسازی چرخش فن جریان محوری از چارچوب مرجع چندگانه استفاده شده است.
3-2 معادلات حاکم
معادلات حاکم بر جریان سیال شامل معادلات بقای جرم و مومنتوم میباشند. قانون بقای جرم و مومنتوم در معادلات 1 و 2 نشان داده شده است .[8]
در معادله 2، τ تنش برشی و ' ρUi 'U j تنش های نوسانی میباشند. برای حل معادله مومنتوم نیاز به یک مدل ریاضی برای تنشهای نوسانی آشفته میباشد. برای شبیهسازی جریان آشفته، از مدل k −ε Re alizable استفاده شده است. در این مدل، انرژی جنبشی آشفتگی ( ( k و نرخ استهلاک آشفتگی ( (ε از معادلات 3 و 4 بهدست میآیند.
