بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش شبیهسازی پمپ محوری تک مرحلهای با 4 پره به کمک نرم افزار انسیس فلوئنت در سرعتهای دورانی 6000،7000 و - rpm - 8000، با دبیهای مختلف انجام شد و در آن پدیده کاویتاسیون و منحنی عملکردی پمپ مورد بررسی قرار گرفت. با بررسی کانتور فشار در صفحه گذرنده از مرکز محور پمپ در راستای طولی مشخص شد که در تمامی موارد شبیهسازی شده، پدیده کاویتاسیون رخ داده است اما شدت ناحیه تاثیر آن، با افزایش دبی ورودی، افزایش یافت.
همچنین مطالعهای برروی اثر تغییر مشخصههای سیال کاری از جمله، چگالی و لزجت بر روی راندمان کاری پمپ انجام شد. نتایج نشان میدهد که کاهش چگالی سیال باعث بزرگتر شدن ناحیه کم فشار در بالادست پره میشود - افزایش قدرت کاویتاسیون صفحهای - ، در حالیکه ناحیه پرش فشار در لبه پرهها، با افزایش چگالی، قابل توجهتر و پتانسیل رخداد کاویتاسیون گردابهای را در این ناحیه افزایش می-دهد. اثر تغییر پارامترهای هندسی پمپ نظیر، تغییرات طول محور و همچنین فاصله بین پره و دیواره، بر روی منحنی عملکردی و به تبع آن پیش بینی وقوع پدیده کاویتاسیون در این مقاله بررسی شده است.
-1 مقدمه وهدف
در علوم دریایی و بررسی جریان مایعات حول اجسام، آثار مخرب کاویتاسیون اهمیت ویژهای دارد. کاویتاسیون باعث فرسایش و خوردگی شدید در هر سطح در تماس با مایع، میشود. حبابهای حاصل از کاویتاسیون ناپایدارند و ایجاد و انبساط آنها بستگی به کاهش فشار مایع دارد، لیکن به محض اینکه فشار سیال افزایش یابد، این حبابها با سرعت زیاد منقبض شده و دچار فروپاشی میگردند و در نتیجه موجهای ضربهای قوی در سیال ایجاد میشوند. این امواج، ذراتی از فلز را از هر سازهای که در تماس با مایع قرار دارد، جدا کرده و باعث خوردگی و فرسایش آن میشوند و در نتیجه با گذشت زمان، سطوح مرزی تخریب میشوند. در اثر افزایش فشار و فروپاشی حبابهای حاصل از کاویتاسیون، موجهای ضربهای ایجاد میشوند که باعث ایجاد سر و صدا میگردند.
انرژی آزاد شده، ارتعاش شدید محیط را در پی دارد. این مسئله به ویژه در فعالیتهای نیروهای دریایی از اهمیت بیشتری برخوردار است زیرا ردگیری شناور خودی توسط دشمن آسانتر میگردد. از آنجائیکه کاویتاسیون پدیدهای ناپایدار بوده و نیروهای نوسانی در آن دخالت دارند، چنانچه یکی از مؤلفههای فرکانسی این نوسانات با فرکانس طبیعی، بخشی یا همه یک ابزار هیدرودینامیکی برابر گردد، آنگاه به علت رزونانس، ارتعاش تشدیدی بوجود می-آید. با توجه به اهمیت بحث تشکیل کاویتاسیون و اثر حضور آنها در ایجاد آسیبهایی در وسائط نقلیه دریایی و سیستمهای توزیع سیالات و راندمان آنها، بررسی این موضوع در این مقاله مد نظر قرار گرفته است.
تئوری وپیشینه تحقیق
بدلیل اینکه در پمپهای گریز از مرگز،سیال درون پروانه حول یک محور درحال دوران میباشد،معادلات حاکم باید در دو چارچوب مرجع نوشته شوند.این دو بخش شامل چارچوب چرخان و ثابت هستند.به همین دلیل هم از چارچوب مرجع چندگانه برای بیان معادلات این سیستم استفاده شده است.معادلات حاکم در چارچوب چرخان بیان شدهاند،و نیروی کوریولیس و گریز از مرکز به عنوان مولفه چشمه به معادلات اضافه میشود.معادلات پیوستگی و مومنتوم در زیر اورده شده اند.
در رابطه بالا مولفه سرعت به صورت نسبی بیان شده است.عبارت چشمه هم مطابق رابطه - 3 - شامل نیروهای گریز از مرکز و کوریولیس میباشد.در این رابطه از تاثیر شتاب جاذبه زمین صرف نظر شده است.و این بدلیل ناچیز در نظر گرفتن اختلاف ارتفاع بین دهانه ورودی و خروجی میباشد.در صورتیکه دهانه ورودی و خروجی دارای اختلاف ارتفاع قابل ملاحظه ای باشند - مانند مکش پمپ از چاه عمیق - باید تاثیر جاذبه را در نظر گرفت.
در رابطه - - 3منظور از همان سرعت دورانی پمپ میباشد،که تحت این سرعت دورانی پروانه حول محور دوران در حال چرخش میباشد.
تحقیقات بسیاری بر روی شبیهسازی عملکرد پمپ و پدیده کاویتاسیون انجام شده است. دسته ای از مطالعات بر روی پدیده کاویتاسیون در توربین ها مطالعه کرده اند. آتاواله و همکارانش مدل کاویتی کامل را بر روی پمپ بکار بستند، و ترند صحیح برای تغییرات قدرت و اندازه کاویتی بدست آوردند
گوانگ بر روی مدل سازی جریان کاویتاسیون روغن در یک پمپ گریز از مرکز مطالعه و رابطه ای بین ضریب ارتفاع پمپ و بخار به علاوه نسبت حجم میعان ناپذیر گاز به مایع در پروانه را به دست آورد .[3] لیمباخ و همکاران بر روی پیش بینی عملکرد پمپ گریز از مرکز با سرعت مخصوص کم در شرایط کاویتاسیون با تغییر زبری سطح مطالعه نمودند.
یاننتی و همکاران با شبیه سازی پدیده کاویتاسیون در یک پمپ جابجائی مثبت ، نوعی ارزیابی از اثر 1.5، 3، 4.5 و 15 قسمت در میلیون - ppm - از کسر جرمی هوا بر عملکرد پمپ و کاویتاسیون را معرفی کردند.[5] مصطفی و عادل بر روی اثر زاویه پره در کاویتاسیون پمپ محوری مطالعه نمودند.[6] سالوتاگی و همکارانش با استفاده از نرمافزار PumpLinx، به پیشبینی عملکرد پمپ محوری پرداختند.[
فنگ و همکاران بر روی عملکرد کاویتاسیون پمپ های جریان محوری با پره های راهنمای جریان ورودی برای نرخ های مختلف جریان تمرکز کردند.[8] سالوادور و همکارانش بر روی مدلسازی عددی جریان کاویتاسیون برای هندسههای ساده با استفاده از نرمافزار فلوئنت مطالعه نمودند.
جودکی مسئله بروز کاویتاسیون در رانر توربین های فرانسیس با استفاده از شبیه سازی عددی جریان را مورد بررسی قرار داد.
دارابی و احمدی تاثیر کاویتاسیون بر روی توربین آبی کاپلان را مورد بررسی عددی قرار دادند. آنها اثرات کاویتاسیون در محدوده رانر پنج پره توربین و راندمان هیدرولیکی آنها را مطالعه کردند.
کوهپر و نکوفر بر روی وقوع پدیده کاویتاسیون در توربوپمپ موتور موشک سوخت مایع مطالعه نمودند.
صفی زاده و توحیدی ارتعاشات یک پمپ گریز از مرکز از حالت عادی کارکرد پمپ تا وقوع و گسترش کاویتاسیون توسط یک حسگر شتاب سنج را دریافت کرده و سیگنال های دریافت شده را مورد تحلیل و بررسی قرار دادند.
صانعی و شهریاری چگونگی دست یافتن به عدد آستانه کاویتاسیون را مورد بررسی قرار داده وبه راه های کنترل پدیده کاویتاسیون اشاره کردند
گودرزی و همکاران میدان و عملکرد جریان روی هیدروفویل پمپ جریان محوری را مطالعه کرده و بهترین هندسه پره را انتخاب نمودند.[15] حکیمی اثر تبخیر، بلعیدن هوا، بازچرخش داخلی، اغتشاش و بدی مسیر پره را در مقابله با رخداد کاویتاسیون بررسی نمود
محمدی بر روی پمپها و کمپرسورها مطالعه نمود. وی عوامل مؤثر در ایجاد کاویتاسیون، راه-های جلوگیری از آن، روش تست آن و هد خالص مکش را بررسی نمود .[17] گوران و فرهادی پدیده کاویتاسیون بر پروانه دریایی در شرایط عملکردی مختلف را بصورت عددی بررسی کردند.
رحیمی و همکاران روش هایی عملی و کاربردی جهت جلوگیری از بروز دو پدیده کاویتاسیون و ضربه قوچ در تاسیسات آبی ارایه کردند .[19] بوکانی و همکاران به بررسی برخی از عوامل مؤثر بر وقوع کاویتاسیون یعنی دمای سیال و فشار ورودی سیستم در یک شیر کنترل تیوپی پرداختند.
تعریف مساله
مسئله مورد بررسی در این پژوهش، یک پمپ محوری است که دارای سطح مقطع دایروی شکل است. جهت اعتبارسنجی نتایج مطالعه، از هندسه مسئله استفاده شده در پایان نامه آقای پتروس بهره برده ایم .
شکل : - 1 - نمای روبرو از پمپ محوری مورد مطالعه
شکل - : - 2مشینگ هندسه مساله
