بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به مصرف انرژی بالا در ماشینهای دوار و محدودیتهای انرژی در جهان توجه محققان به بهبود عملکرد و کاهش مصرف انرژی در اینگونه ماشین ها معطوف شده است. هدف ما در این مقاله بررسی میدان و عملکرد جریان روی هیدروفویل پمپ جریان محوری و انتخاب بهترین هندسه پره میباشد. از روش عددی حجم کنترل با الگوریتم سیمپل سی و مدل توربولانسی k- استاندارد استفاده شده است. چند مورد از پرکاربردترین هیدروفویلها برای پمپ جریان محوری که شامل ایرفویل های چهار رقمی ناکا از جمله 4312 ، 4306 ، 2306 و 6306 در زوایای حمله هیدروفویل از -5 تا 35 مورد بررسی قرار گرفتند.
توزیع فشار، ضریب پسا، ضریب لیفت برای هیدروفویل های مذکور در زوایای حمله مختلف مقایسه شده اند و بیشترین نسبت ضریب لیفت به پسا در بازه 1 تا 10 درجهای برای زاویه حمله به دست آمده است و همچنین در زوایای حمله بیشتر از 15 درجه این نسبت به کمترین مقدار خود خواهد رسید . باداشتن نسبت لیفت به درگ بالاتر به عبارتی با توزیع فشار مناسب روی پره برای دبی مشخص، نیاز به توان مصرفی کمتری بوده که باعث افزایش بازدهی ماشین های دوار مورد نظر خواهد شد.
بهترین انتخاب هیدروفویل برای پره های پمپ جریان محوری، شبیه ناکای 6306 و 4306 است که خمیدگی بیشتری نسبت به ناکای 4312 و 2306 دارند. برای اعتبار سنجی نتایج از دادههای آزمایشگاهی برای ایرفویل ناکای 0012 با شرایط یکسان بر مساله استفاده شده است.
مقدمه
برای آبیاری، انتقال فاضلاب، انحراف سیلابها، رانش قایقها و به طور کلی برای انتقال مایع با حجم زیاد و هد نسبتاً کم از پمپهای جریان محوری استفاده می شود. معمولاً محور اینگونه پمپ ها به طور مستقیم با الکتروموتور کوپل می شود و به همین دلیل سرعت دوران پروانه با سرعت دوران الکتروموتور یکی است. پمپهای جریان محوری برای هد کم تا 10 متر و دبی زیاد به کار می رود. همچنین سرعت دورانی این پمپها نسبتاً کم و درحدود 200 تا 1800 دور در دقیقه است.
راندمان این نوع پمپ ها در مقایسه با پمپهای جریان مختلط پایین بوده و به علاوه دارای قدرت شروع به حرکت زیاد بوده و در برابر کاویتاسیون نامطلوب است. از آنجا که پمپ جریان محوری برای هد دادن کم به حجم زیادی از سیال به کار می رود انرژی زیادی را مصرف می کنند. پس با انتخاب پره تحت زاویه ای حمله مناسب می توان با انرژی کمتری کار بیشتری از پمپ به دست آورد.
تاریخچه شروع تحقیقات انجام گرفته بر روی این نوع پمپ ها از سال 1785 میلادی است. در سال 1800 میلادی محققان یافتند که یک صفحه صاف با داشتن یک زاویه حمله نیروی برا تولید می کند و این صفحه هرچه شباهت بیشتری به بال پرندگان داشته باشد نیروی تولید شده بیشتر خواهد بود .
در سال 1850 فیزیکدان و مهندس انگلیسی جامس تامسونٌ برای بالا بردن بازده پره ها ایده استفاده از پره راهنما را داد. در ادامه دانشمند دیگر انگلیسی اسبون رینولدزٍ اولین پمپ با پره های راهنمای ورودی قابل تنظیم را طراحی کرد.
اولین تحقیق منظم بر روی این پمپ ها توسط برادران سولزرَ در سال 1890 میلادی شروع شد.[2] اخیرا تحقیقات زیادی بر روی این گونه پمپ ها انجام گرفته است که تحقیق ویدنگُ در سال 1988 بر روی هیدرولیک پمپ جریان محوری ZM931 برای سرعت ویژه بالا و لیفت پایین یکی از آنها است
در سال 1997 ماینرِ کار خود در زمینه تحلیل عددی برای پمپ جریان محوری با شبکه بندی ضخیم را ارائه کرد .[4] در سال 2000 کایاّ و همکاران مطالعهای بر روی اثرات پارامترهای طراحی پره پمپ جریان محوری انجام دادند.[5] البته کارهای تجربی خوبی نیز در همین زمینه انجام گرفته است که بیشتر آنها پیرامون پمپ های جریان شعاعی است. از بین آنها نیز تحقیقات اندکی در خصوص پمپ های جریان محوری بصورت آزمایشگاهی انجام گرفته است که می توان به تحقیقات آلپنْ بر روی پمپ جریان محوری در ناحیه جریان برگشتی اشاره کرد.[6] همچنین زیرک َ با تحقیقات آزمایشگاهی روشی مناسب برای بهبود این پمپ ها را پیشنهاد داد و پارامترهای جریان سیال برای رینولدزهای بالا در پمپ را مطرح کرد
بررسی جریان بصورت تجربی حول هیدروفویل خصوصا برای عدد رینولدز بالا که جریان مغشوش است و معادلات به سادگی حل نمیشوند نسبتا پیچیده است، بنابراین روش مناسب و کم هزینه برای چنین مطالعاتی روش های عددی است. در سال 2010 زانگُ و همکاران بر روی پمپ جریان محوری در حالت ناپایا بررسی عددی و آزمایشگاهی انجام دادهاند و نشان دادند که توزیع فشار استاتیک در ورودی روتور و خروجی استاتور به صورت متناوب است.[9 ] در سال 2013 ژانگ ریویًٌآانالیز عددی کاویتاسیون در این نوع پمپ که به صورت مورب قرارداده شده بود، را بررسی کردند.
در این مقاله حل عددی جریان سیال بر روی تعدادی از پره های پمپ جریان محوری انجام می گردد. هدف این تحقیق انتخاب ایرفویل مناسب برای استفاده پمپ های جریان محوری است. هیدروفویل هایی که در پره های پمپ جریان محوری پیشنهاد می شود شامل ایرفویلهای چهار شماره ای ناکا مانند 4306 ، 4312 ، 2306 ، 6306 می باشند.[11] با استفاده از نتایج بدست آمده از تحلیل سیال پیرامون هیدروفویلهای مذکور در زوایای حمله مختلف، هیدروفویل مناسب انتخاب می شود.
مدل سازی
همان طور که در شکل 1 نشان داده شده است، همه هیدروفویلها دارای کورد 10 سانتی متر می باشند و دو هیدروفویل ناکای2306 و 4306 مشابهند. از خصوصیات مهم آنها می توان به ضخامت کم این دو و سطح پایینی این دو هیدروفویل که خیلی به محور x ها نزدیک است اشاره کرد. با این تفاوت که پره با ناکای 4306 خمیدگی بیشتری دارد، ناکای 6306 دارای ضخامت کم و انحنای زیاد و ناکای 4312 دارای ضخامت بیشتر و انحنای کمتری است. برای هر چهار هیدروفویل نسبت کمی برای ضخامت به وتر - t/c - بین 5.5 تا 12.3می باشد.
در این مطالعه با استفاده از روش عددی حجم کنترل و با استفاده از نرم افزار تجاری فلوئنت جریان پیرامون ایرفویل های مختلف در زوایای حمله مختلف بررسی و بر اساس نتایج حاصل شده ایرفویل مناسب انتخاب شده است.
شکل :1 هندسه هیدروفویل های ناکای بررسی شده
شبکه بندی
شکل 2 شبکه بندی حول هیدروفویل ناکای 2306 را نشان می دهد. شیوه حجم محدود با سلول های چهار گوشه ای از نوع سی برای کل دامنه اختیار شده است. این شبکه بندی توسط نرم افزار گمبیت و همان گونه که در شکل مشخص است در نزدیک هندسه هیدروفویل برای بررسی دقیق ریزتر شده است. برای ایجاد شبکه مناسب ابتدا شبکه درشت مورد استفاده قرار گرفته و شبکه تا جائیکه دیگر تغییری در نتایج حاصل نشد ریزتر گردید. در نهایت شبکه مناسب تهیه و با تعداد 35000 المان مورد استفاده قرار گرفت.
شکل 2 :شبکه بندی نزدیک هیدروفویل
روش حل
برای حل عددی جریان حول هیدروفویل های مورد مطالعه از مدل توربولانسی استاندارد - k که قادر به وارد کردن اثرات چرخشی در میدان جریان توربولانسی است استفاده شده است. سیال مساله شامل آب مایع با چگالی 998 کیلوگرم بر متر مکعب و جریان مغشوش با رینولدز دو میلیون می باشد. برای جفت کردن ترم سرعت و فشار در معادله ممنتوم از الگوریتم سیمپل سی و از الگوی مرتبه بالای مرتبه دوم برای گسسته سازی ترم جابجایی استفاده شده است.
معادلات حاکم
معادلات حاکم بر جریان دوبعدی دائمی تراکم ناپذیر مغشوش شامل معادله پیوستگی، ممنتوم و معادلات توربولانسی است که در معادلات - 1 - تا - 5 - ذکر شده است.
مدل توربولانسی - k انتخاب شده است که میدان جریان را برحسب دو متغیر انرژی جنبشی جریان آشفته k و نرخ اضمحلال ویسکوز انرژی جنبشی آشفته بیان میکند. k مجموع انرژی جنبشی متوسط و انرژی جنبشی آشفته است. k و از روابط زیر به دست میآیند.
نتایج
تحلیل عددی بر روی چهار مدل از هیدروفویل نازک که بیشترین کاربرد را در پرهی پمپ های جریان محوری دارند - 2306 ، 4306 ، 4312 و - 6306 در زاویه حمله -5 درجه تا 35 انجام گرفته است . همچنین نیروی برا و پسا و سرعت روی پره در شکل - 3 - نشان داده شده است.
شکل:3 نیروی برا و پسا روی پره
با توجه به شکل 3 نیروی برا و پسا بر روی پره با روابط زیر محاسبه می شود:
با تحلیل جریان اطراف پرههای مختلف میدان سرعت و فشار پیرامون هر پره تعیین و بکمک آن می توان دیگر پارامترهای مهم را بدست آورد. بعنوان نمونه شکلهای 4 و5 کانتور فشار و سرعت روی ایرفویل ناکا 4312 در زاویه حمله 3 درجه را نشان می دهد.
