بخشی از مقاله
چکیده
هدف این مقاله تحلیل پدیدهی خلأزایی در پمپ با استفاده از نرم افزار انسیسٌ میباشد. تحلیل بر روی پمپ گریز از مرکز 5 پرهای با سرعت دورانی 2160 دور بر دقیقه خلاف جهت عقربههای ساعت و ضخامت 20 و شعاع پره 17,5 سانتیمتر است. سیال آب 25 درجه سانتیگراد با فشار اشباع 2650 پاسکال فرض شده و برای بررسی خلأزایی در انسیس باید مسأله در دو حالت وقوع نیافتن و وقوع خلأزایی بررسی شود. فشار خروجی در حالت اول 600000 پاسکال و در حالت دوم 300000 پاسکال در نظر گرفته شده است. در نهایت نتایج تحلیل وقوع و مکان خلأزایی را نشان میدهد.
مقدمه
پمپ یکی از مهمترین ماشینهای مکانیکی در صنعت است که از آن برای انتقال مایعات از یک محل با ارتفاع کمتر به محلی دیگر با ارتفاع بیشتر استفاده میشود. پدیدهی خلأزایی یکی از شایعترین پدیدههای میباشد که طراحان پمپها همواره با آن سر و کار دارند. از جمله تحقیقاتی که تا کنون در مورد مطالعه این پدیده انجام شده است میتوان به موارد زیر اشاره نمود.
احقاقی و خیاط زاده [1] با استفاد از یکی از نرمافزارهای مرتبط با CFD، تاثیرات افزایش سرعت دورانی بر وقوع خلأزایی را بررسی کردند و هدف خود را پیدا کردن حالت بهینهای برای سرعت دورانی به منظور افزایش راندمان و کاهش ابعاد پمپ برای جلوگیری از پدیدهی خلأزایی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که با در نظر گرفتن همزمان افزایش راندمان هیدرولیکی ماشین با افزایش سرعت دورانی و کاهش راندمان هیدرولیکی در اثر کاهشقطر چرخ که در نتیجه افزایش سرعت دورانی حاصل شده است، در مجموع بهبود راندمانی به میزان 0,087 درصد بدست میآید.
وظیفهشناس [2] مقالهای با هدف ارزیابی عملکرد و رفتار سه بعدی جریان در یک پمپ جریان مختلط و چگونگی تاثیر پذیری پدیده خلأزایی از پارامترهای مختلف مانند دمای سیال، سرعت پمپ و نرخ جریان ورودی را با استفاده از نرم افزار فلوئنت ٍ برای شبیه سازی کل میدان جریان منتشر کرد که نتایج زیر بدست آمد.
- 1سرعت جریان مختلط تاثیر بسزایی بر بروز و مکان وقوع خلأزایی دارد.
- 2امکان وقوع خلأزایی در پمپ های کم سرعت بسیار کم است ولی راندمان ماشین نیز به همان مقدار پایینتر است.
- 3فشاربخار اشباع که باعث تشکیل حباب و نهایتاً منجر به خلأزایی میشود به دمای سیال بستگی دارد ولی نتایج تحلیلها نشان میدهد که مولفهی دما تاثیر بسیار ناچیزی بر وقوع خلأزایی دارد و پارامتر مهمی نمیباشد.
- 4مهمترین مولفه در وقوع و توسعهی خلأزایی مقدار دبی سیال میباشد که رابطهی مستقیم با سرعت ورودی سیال دارد. این مقاله نشان میدهد که با افزایش دبی فشار استاتیکی روی پرهها کاهش یافته و منجر به بزرگ شدن منطقهی خلأزایی میشود. لیووا و همکاران [3] با استفاده از شبیه سازی عددی، تاثیرات ضرایب تجربی از قبیل ضرایب چگالش و تبخیر را بر روی خلأزایی بررسی کردند.
این تحلیل با روش سوارت-گربر-بلامری حل شد. بمنظور افزایش دقت در تحلیل میتوان مقدار ضریب تبخیر را زیادتر و یا ضریب چگالش را کوچکتر در نظر گرفت. از این تحلیل این نتیجه حاصل شد که ضرایب چگالش و تبخیر در وقوع خلأزایی پارامترهای مهمی به حساب میآیند و به طور مستقیم روی توسعهی خلأزایی تاثیر دارند.
یو و همکاران [4] با دو رویکرد تئوریکال و شبیه سازی عددی توسط نرم افزار فلوئنت تاثیر نرخ تغییر فاز را در خلأزایی بررسی کردند. آنها برای حل تئوریکال از روش سوارت و در تحلیل عددی از مدل کانز استفاده نمودند. در نهایت این نتیجه حاصل شد که نرخ تغییر فاز تاثیر بسیار کمی در خلأزایی دارد. در این تحقیق به مطالعه پدیده خلأزایی در پمپها پرداخته میشود.
برای شبیهسازی این پدیده از نرم افزار انسیس نسخهی 16,0 کمک گرفته میشود. تحلیل بر روی پمپ گریز از مرکز 5 پرهای با سرعت دورانی 2160 دور بر دقیقه خلاف جهت عقربههای ساعت و ضخامت 20 و شعاع پره 17,5 سانتیمتر است. سیال آب 25 درجه سانتیگراد با فشار اشباع 2650 پاسکال فرض شده و برای بررسی خلأزایی در انسیس باید مسأله در دو حالت وقوع نیافتن و وقوع خلأزایی بررسی شود. فشار خروجی در حالت اول 600000 پاسکال و در حالت دوم 300000 پاسکال در نظر گرفته شده است. در نهایت پس از شبیه سازی نحوه وقوع این پدیده و محل آن در پمپ ارائه میگردد.
حالت عدم وقوع خلأزایی
برای شبیه سازی این حالت شرایط مرزی که عبارت است از مشخص کردن ورودی و خروجی، در قسمت Setup وارد میشود. شکل - 1 - نحوه اعمال این شرایط مرزی را نشان میدهد. همانطور که در شکلهای بالا مشاهده میشود با توجه به مقادیر فشاری که توسط طیف رنگی مشخص شده کمترین مقدار فشاری که به پرهها وارد میشود برابر 6339 پاسکال است که این مقدار با فشار اشباع 2650 پاسکال مقدار قابل توجهی تفاوت دارد. با توجه به شکل میتوان نتیجه گرفت که پدیده خلأزایی در این شرایط اتفاق نمیافتد.
حالت وقوع خلأزایی
با وارد کردن نتایج حالت قبل - که عبارتست از فشار در هر لحظه بر روی پرهی پمپ - به عنوان شرایط اولیه در این حالت و کاهش دادن فشار خروجی از 600 کیلوپاسکال به 300 کیلوپاسکال تحلیل در این حالت انجام میشود. شکلهای -3 - الف - و -3 - ب - نتایج حاصل از شبیه سازی در این قسمت را نشان میدهد. با توجه به اینکه پدیدهی خلأزایی زمانی رخ میدهد که فشار ورودی به پمپ برابر با فشار بخار اشباع باشد بنابراین با توجه به شکلهای بالا مشخص است کمترین مقدار فشاری که بدست آمده برابر است با فشار بخار اشباع و این بدین معنی است که پمپ دچار خلأزایی شده است.
برای نشان دادن مکانهایی که در آنها فشار برابر فشار آب اشباع است یک حجم تعریف شده است. شکلهای -4 - الف - و -4 - ب - مکانهایی که در آنها خلأزایی اتفاق میافتد را نشان میدهد. خلأزایی اتفاق میافتد. در این شکلها پرهی پمپ در دو نما نشان داده شده است و حجم تولید شدهی خاکستری رنگ نشان دهندهی مکان هایی است که فشاری برابر فشار بخار اشباع دارند و طبق نکته-ای که بیان شد خلأزایی در این مکانها رخ خواهد داد.
نتیجهگیری و جمعبندی
با توجه به اینکه در طراحی پمپها همواره پدیدهی خلأزایی یکی از تأثیر گذارترین پارامترها میباشد و عدم توجه به آن باعث آسیب زدن به پمپ میگردد، در این مطالعه به بررسی این پدیده به کمک نرم افزار المان محدود انسیس که یکی از قویترین نرم افزارها در حیطهی مکانیک سیالات میباشد پرداخته شد. در این تحقیق شبیه سازی در دو حالت وقوع خلأزایی و عدم وقوع خلأزایی صورت پذیرفت که نتایج بصورت موردی در زیر ارائه میگردد.
· پدیدهی خلأزایی بصورت مستقیم با هد و دبی رابطه دارد.
· برای جلوگیری از وقوع این پدیده فشار خروجی از پمپ باید کنترل شود.
· برای تشخیص تجربی پدیده خلأزایی زمانی که پمپ شروع به ارتعاش کند نشاندهندهی بروز این پدیده است. در پمپها برای تشخیص بروز خلأزایی از پردازنده هایی استفاده میشود که دائماً در حال پردازش شرایط است و در صورتی که این دادهها با مقادیر تعیین شدهی استاندارد فاصله داشته باشد اخطار میدهد.
