بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله شبیه سازی عددی سه بعدی جریان آشفته و میدان سرعت و فشار یک پمپ گریز از مرکز نمونه با استفاده از نرم افزار ANSYS-CFX انجام پذیرفت. برای حل معادلات حاکم بر جریان و پیش بینی سرعت و فشار از مدل آشفتگی شناخته شده K-استفاده شد.هندسه پمپ گریز از مرکز با CMM و با استفاده از ابر نقاط در نرم افزار Catia مدل شد.
هندسه پمپ به تعداد 1432029 المان تقسیم و مش بندی تو سط نرم افزار CFD-Meshing انجام شد. مش زده شده در مقیاس Skewness مورد ارزیابی و در محدوده خوب قرار گرفت.پمپ نمونه در فشار ورودی 1bar ودر دبی های 20 m3 /hr،100،200،240،300و340 در قسمت خروجی، تحلیل و منحنی عملکرد به دست آمده با مقادیر تجربی و منحنی عملکرد کارخانه سازنده پمپ مقایسه شد. پس از مقایسه مقدار خطای میانگین برای هد به دست آمده 3,27 ، برای توان 1,37 و برای بازده پمپ 3,94 به دست آمد.
.1مقدمه
پمپ های سانتریفیوژ یکی از رایج ترین پمپ های استفاده شده در صنعت،کشاورزی و مصارف خانگی است.این پمپ خروجی و بازده بالایی در مقایسه با دیگر انواع پمپ ها دارد.پمپ سانتریفیوژ نوعی توربوماشین است که در آن انرژی مکانیکی یک مولد حرکت - یک موتور الکتریکی یا توربین - به انرژی جنبشی،و سپس با استفاده از نیروی گریز از مرکز وارد بر مایعی که پمپ میشود،به انرژی فشار تبدیل میشود.
این تغییرات انرژی توسط دو بخش اصلی پمپ،پروانه و ولوت یا دیفیوزر انجام میشود.پروانه بخش چرخشی است که انرژی حرکتی را به انرژی جنبشی تبدیل میکند.ولوت یا دیفیوزر بخش ساکن است که انرژی جنبشی مایع را به انرژی فشار تبدیل میکند.از آنجا که بالا رفتن مایعات بعلت عمل گریز از مرکز است،این پمپ گریز از مرکز - سانتریفیوژ - نامیده میشود.عمل گریز از مرکز پروانه با انتقال انرژی مکانیکی - چرخشی - به مایع شتاب میدهد.
این انرژی جنبشی برای انجام دادن کار در دسترس سیال است.در اکثر موارد،این کار شامل حرکت مایع از میان یک سیستم در سرعت های مختلف با غلبه بر مقاومت در برابر جریان بعلت اصطکاک ناشی از لوله ها و محدودیت های فیزیکی شیرها،مبدل های حرارتی و سایر وسایل روی خط،هم چنین تغییرات ارتفاع بین محل شروع مایع و مقصد نهایی است.زمانیکه سرعت بعلت مقاومت مواجه شده در سیستم کاهش می یابد،فشار افزایش پیدا میکند.
زمانیکه مایع با مقاومت مواجه میشود،بخشی از انرژی اش را به شکلی از گرما،صدا و ارتعاش برای غلبه بر مقاومت صرف میکند.در نتیجه هنگامیکه فاصله از پمپ افزایش می یابد،انرژی در دسترس مایع کاهش می یابد.انرژی واقعی موجود برای کار در هر نقطه در یک سیستم،ترکیبی از سرعت و انرژی فشار موجود در همان نقطه است.
پیش بینی کارآیی پمپ ها قبل از ساخت،به دلیل هزینه مؤثر طراحی آنها،بسیار سخت است که نیازمند فهم رفتار گردش در قسمت های مختلف های پمپ است.همچنین طراحی و اجرای فرآیند پیش بینی آنها اساساُ بعلت تعداد متعدد پارامترهای هندسی آزاد درگیر کاری مشکل است.به عبارت دیگر،هزینه و زمان فرآیند آزمایش و خطا با ساخت و تست نمونه های اولیه فیزیکی،سود تولیدکنندگان پمپ را کاهش میدهد.
تست کردن مدل های تجربی یکی از راهکارها برای پیش بینی کارکرد است اما این روش خسته کننده و نیازمند صرف وقت و هزینه است.از طرف دیگر روش های نظری فقط یک مقدار میدهد.به همین دلیل،تحلیل های CFD در طراحی هیدرودینامیکی انواع مختلف پمپ ها استفاده میشود.شبیه سازی CFD تصور کردن شرایط جریان داخل یک پمپ سانتریفیوژ را ممکن میسازد.نتیجه شبیه سازی، محاسبه یا پیش بینی عملکرد یک پمپ سانتریفیوژ برای جایگزین کردن یا کاهش دادن آزمایشات در فرآیند طراحی پمپ است.
در سالهای اخیر،با پیشرفت سریع تکنولوژی کامپیوتر و دینامیک سیالات محاسباتی - - CFD،شبیه سازی عددی،مانند تحلیل های علمی و تحقیقات آزمایشگاهی یک ابزار مهم برای مطالعه جریان در پمپ ها و پیش بینی عملکرد پمپ شده است.نرم افزار CFDدر طراحی پمپ های آب و توربین ها حدود سی سال پیش شروع شد.اولین مراحل با معرفی روش عنصر محدود به CFD همزمان شد و با جوابهای شبه سه بعدی ساده شده اویلر و جریان پتانسیل کاملا سه بعدی مشخص شد.با گذشت زمان پیچیدگی در مراحل افزایش یافت تا اینکه امروزه میانگین رینولدز معادلات ناویر استوکس با مدل های آشفته پیشرفته حل شده است.
پژوهشگران بسیاری برای شبیه سازی عددی پمپ های سانتریفیوژ از CFD استفاده کرده اند: - Purushothaman, Rajendran,2012 - روی پروانه پمپ سانتریفیوژ با استفاده از ANSYS-CFX تحلیل انجام دادند و الگوی جریان و توزیع فشار در گذرگاه تیغه را پیش بینی کردند - S R Shah,et.al.,2010 - .[1] نسبت به انجام آنالیز CFD پمپ سانتریفیوژ و غیر یکنواختی ها در بخش های مختلف پمپ در خارج از شرایط طراحی اقدام نموده اند - P.Usha Shri .[2] ,C.Syamsundar,2010 -
برای مشخص کردن شبیه سازی جریان در پروانه یک پمپ سانتریفیوژ در پنج ضریب جریان - ضریب جریان طراحی شده - مختلف: 0,0746،0,0146،0,0346،0,0546 و0,0946 همکاری کرده اند - Bacharoudis,2008 - .[3] برای مشخص کردن ساز و کار جریان درون پروانه های گریز از مرکز همکاری کردند و عملکرد آن را با عوض کردن زاویه تیغه خروجی مطالعه کردند.
آنها یک افزایش بالای % 7 در هد با افزایش در زاویه تیغه خروجی از20˚ تا45˚ مشاهده کردند - Nova, .[4] Rodrigues,2013 - تحلیل مدلسازی کاویتاسیون یک پمپ سانتریفیوژ را انجام دادند و مکان های کاویتاسیون را برای جست و جوی میدان فشار پیش بینی کردند - Guleren and Pinarbasi,2004 - .[5] یک پمپ سانتریفیوژ پنج تیغه با سرعت چرخشی 890rpm را با استفاده از نرم افزار فلوئنت و معادلات ناویه-استوکس تحلیل کردند - Prasad, et.al.,2013 - .[6] حلزونی و پروانه یک پمپ سانتریفیوژ را با استفاده از سرعت مخصوص 32 و کد CFX و مدل آشفتگی K- تحلیل کردند - Cho Thin et. .[7] al.,2003 -
تحلیل محاسباتی یک پمپ سانتریفیوژ را انجام داده و عملکرد آن را برای آهنگ جریان حجمی خارج از طراحی پیش بینی کرده و اتلاف صفحه ولوت پروانه،لغزش، تلفات ضربه،چرخش و دیگر اتلافات اصطکاک را محاسبه کرد.[8] - Nohmi,et.al.,2009 - دو نوع از کدهای CFD کاویتاسیون را برای پمپ سانتریفیوژ ایجاد کردند.آنها مشاهده کردند که در کاویتاسیون،زمانیکه دهانه بوسیله حفره مسدود می شود روی سطح ورودی و سطوح فشار،یک سقوط ناگهانی در آهنگ جریان وجود دارد - S.Anagnostopoulos,2005 - .[9] معادلات RANS1 را برای پروانه پمپ سانتریفیوژ حل کرد و الگوریتم تمام اتوماتیک برای طراحی پروانه ایجاد کرد.[10]
به طور طبیعی،کدهای CFD سه روش محاسباتی برای تحلیل جریان های توربوماشین ها میسر می کنند: Multiple Reference Frame - MRF - ،Mixing Planeو .Sliding Meshدو روش اول بر اساس روش های جریان ثابت است.در روش MRF،روتور در یک مکان ثابت نگه داشته شده و معادلات حاکم برای روتور در یک چارچوب مرجع چرخشی،شامل نیروهای کوریولیس و گریز از مرکز حل شده اند.در حالی که برای استاتور در یک چارچوب مرجع مطلق حل شده اند.
.2روابط دینامیکی حاکم بر مساله
.2-1 معادلات حاکم بر جریان سیال:
معادلات حاکم بر جریان سیال بیانگر قوانین فیزیکی بقاﺀ بصورت عبارات ریاضی می باشد که برخی ازین قوانین عبارتند از:
· جرم سیال همواره ثابت می باشد.
· نرخ تغییر اندازه ی حرکت با برآیند نیروهای وارد روی ذره ی سیال برابراست - قانون دوم نیوتن - .
· نرخ تغییر انرژی با مجموع نرخ افزایش حرارت سیستم و نرخ کار انجام شده روی ذره ی سیال برابر است - قانون اول ترمودینامیک - . سیال باید بصورت پیوسته در نظر گرفته شود.
