1D Akış Modellemesi ile Pompa Verimliliğinin Değerlendirilmesi

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.

Değişken Akış Hızlarında Hidrolik Davranışı Anlamak için İç Akış Sonuçlarından Yararlanma

Zorluklar

Santrifüj pompalar, fanlar veya su türbinleri gibi hidrolik turbo makinelerin tasarlanması, çok çeşitli girdi değişkenlerinin dengelenmesini gerektirir. Tasarımcılar, hepsi birbirine bağlı olan ve performansı önemli ölçüde etkileyen akış hızı, dönüş hızı, pervane geometrisi, kanat sayısı ve özgül enerji (veya basma yüksekliği) gibi çalışma koşullarını tanımlamalıdır. Bu karmaşık tasarım alanı, özellikle tasarım dışı koşullarda kavitasyondan veya performans düşüşlerinden kaçınırken hidrolik verimliliği, güç tüketimini veya torku optimize etmek istendiğinde çok zor olabilir.

Belirli bir başlığa veya güce ulaşmak gibi iyi belirlenmiş bir hedef olsa bile, seçilen tasarım parametreleri kombinasyonunun optimum olup olmadığını belirlemek her zaman kolay değildir. Tasarımcılar genellikle deneyime veya ampirik formüllere güvenir; bunlar yararlı olmakla birlikte, özellikle yeni veya kısıtlı uygulamalar için resmin tamamını yakalayamayabilir. Bu belirsizlik, düşük performans gösteren veya kapsamlı yeniden tasarım gerektiren optimal olmayan konfigürasyonlara yol açabilir.

Mühendislik Çözümleri

Verimli turbo makinelerin tasarlanması, özellikle geliştirmenin ilk aşamalarında hem hızlı hem de güvenilir araçlar gerektirir. ANSYS Workbench paketinin bir parçası olan Vista TF (Throughflow), santrifüj pompalarda, radyal kompresörlerde ve türbinlerde bulunanlar gibi radyal kanat sıralarını quasi-1D yaklaşımı kullanarak değerlendirmek için tasarlanmış bir akım çizgisi eğriliği çözücüsüdür.

3D CFD’nin tüm ayrıntılarını sunmasa da Throughflow, pervane geometrileri ve çalışma noktaları üzerinde hızlı parametrik çalışmalar yapılmasını sağlar. Basitleştirilmiş ancak fiziksel olarak bilgilendirilmiş modelleme, mühendislerin çok çeşitli konfigürasyonları hızlı bir şekilde değerlendirmesine olanak tanıyarak kafa, tork ve verimlilik (hem aşama hem de izentropik) gibi kritik performans göstergeleri hakkında anında geri bildirim sağlar.

Karmaşık tasarım alanlarında gezinmenin zorluklarını ele almak için Throughflow, 1D akış hesaplamalarına dayalı performans eğilimlerini değerlendirmek için etkili bir yol sunar. Tasarımcılar, kütle akış hızı veya kanat geometrisi gibi parametreleri değiştirerek, bu girdilerin hidrolik davranışı nasıl etkilediğine dair fikir edinebilirler. Bu, Throughflow’u erken aşama tarama ve yinelemeli iyileştirme için mükemmel bir araç haline getirerek mühendislerin pahalı 3D CFD çabalarını yalnızca en umut verici adaylara odaklamasına yardımcı olur.

Yöntemler

Kurulum süreci, ANSYS Workbench ortamında, temel santrifüj pompa boyutlandırması için kullanılan Vista CPD modülünün sürüklenip bırakılmasıyla başlar. İlk adımda, kullanıcı debi, basma yüksekliği, dönme hızı ve akışkan özellikleri gibi girdiler dahil olmak üzere gerekli tasarım noktasını sağlar. Bu koşullara dayanarak, Vista CPD bir ön pervane geometrisi oluşturur ve temel performans parametrelerini tahmin eder.

Vista CPD’nin benzersiz bir özelliği de aşağıdakileri üretmesidir verimlilik eğrileri ‘nin bir fonksiyonu olarak özgül hız (Ωs) ve özgül çap oranı (Q/N). Bu boyutsal olmayan parametreler, pervanenin performans özelliklerini genelleştirir:

• Ωs (Spesifik Hız): Bu, akış hızı (Q), dönme hızı (w) ve baş (H). Pompa tasarımında çark tipini sınıflandırmak ve akış kanallarının şeklini ve performansını tahmin etmek için yaygın olarak kullanılır. Denklemde, g yerçekimi ivmesidir.
  
• Q/N (Akış Katsayısı): Bu, akış hızının dönme hızına oranını temsil eder ve bu bağlamda farklı akış rejimleri için performans eğrileri aileleri oluşturmak için kullanılır. Burada N devir/sn cinsinden dönme hızı ve D pervane çapıdır. Vista CPD’de bu Q/N olarak gösterilir.
  

Bu nedenle Vista CPD, akış katsayısı ve özgül hız gibi boyutsuz katsayılara dayalı teorik verimlilik haritaları sunmaktadır. Genel rehberlik için yararlı olsa da, bu haritalar ampirik eğilimlere dayanır ve belirli bir geometriye bağlı değildir. Gerçek bir pervane tasarımını daha doğru bir şekilde değerlendirmek için Throughflow, gerçek kanat geometrisine ve giriş koşullarına dayalı bir yarı-1D analiz sağlar. Bu, bir dizi akış hızı boyunca basma yüksekliği ve verimlilik gibi performans ölçütlerinin daha güvenilir bir şekilde değerlendirilmesine olanak tanır.

Sonuçlar

Sürecin ilk adımında, başlangıç tasarım girdileri aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi Vista CPD içinde tanımlanır. Bu girdiler, çalışma koşullarının (özellikle kütle akış hızı) yanı sıra pervanenin ana geometrik özelliklerini de içerir. Temel parametreler arasında göbek ve örtü konturları, ön ve arka kenarların şekli ve konumlandırılması, kanat sayısı ve pervanenin temel tasarımı için kritik olan diğer boyutlar yer alır. Bu konfigürasyon tek bir tasarım noktası tanımlar ve bu nokta daha sonraki performans değerlendirmesi için başlangıç geometrisi olarak kullanılır.

Ardından tasarım, çözücünün otomatik olarak çalıştığı ve birkaç dakika içinde tamamlandığı yeni bir Throughflow modülüne aktarılır. Hesaplama tamamlandığında, kullanıcı temel performans çıktılarını görselleştirmek için sonuç hücresine erişebilir. Bu aşamada, çark kanalları boyunca akış davranışının yanı sıra hız, basınç ve kanat yüklemesi gibi değişkenler hakkında fikir veren kontur grafikleri kullanılabilir hale gelir.

Basınç konturunun vurgulanan bölge dışında kademeli bir dağılım gösterdiğine dikkat edin. Ayrıca, meridyonel hız (Cm) ön kenarın yakınında, özellikle de göbeğe yakın bir yerde önemli bir artış göstermektedir. Bu durum, giriş geometrisinin veya dönüş hızının akışın büzülmesine ve zamanından önce hızlanmasına neden olabileceğini düşündürmektedir. Böyle bir model, gelen akışın homojen olmayan bir şekilde dağıldığını gösterir.

Bu davranış mutlaka sorunlu olmasa da, akış dengesizliğinin sonunda verimsizliğe veya tam 3D simülasyonda akış ayrılmasına yol açabileceği pervanenin kritik bir bölgesini vurgular. Bunu Throughflow kullanarak erken tespit etmek, giriş geometrisini iyileştirmek ve daha ileri parametrik analizlere rehberlik etmek için değerli bilgiler sağlar. Bu nedenle, giriş parametresi olarak kütle akış hızını ve çıkış parametreleri olarak farklı verimlilikleri kullanarak parametrik bir analiz de gerçekleştirebiliriz.

• etap ss. Kademe politropik verimliliği (statik-statik). Kademenin termodinamik verimliliğini değerlendirmek için giriş ve çıkıştaki statik basınçları ve entalpileri kullanır.
• etap ts. Kademeli politropik verimlilik (toplam-statik). Girişteki toplam basıncı ve çıkıştaki statik basıncı dikkate alır; giriş kinetik enerjisi önemli olduğunda kullanışlıdır.
• etap tt. Aşama politropik verimlilik (toplam-total). Kinetik ve potansiyel enerji etkilerini yakalayarak hem giriş hem de çıkıştaki toplam basınçları kullanarak verimliliği değerlendirir.
• etas ss. Aşama izentropik verimlilik (statik-statik). Statik koşulları kullanarak gerçek entalpi değişimini ideal izentropik değişimle karşılaştırır.
• etas ts. Kademeli izentropik verimlilik (toplam-statik). Girişteki toplam koşulları ve çıkıştaki statik koşulları kullanır; pratik sistemlerdeki gerçek kayıpları tahmin etmek için uygundur.
• etas tt. Kademe izentropik verimliliği (toplam-total). Toplam giriş ve çıkış durumları arasında ideal bir izentropik süreç varsayarak genel performansı ölçer.

Erken aşama pompa tasarımını hızlandırmak ve temel performans eğilimlerini ortaya çıkarmak için modelin nasıl kurulacağını ve sonuçların nasıl kontrol edileceğini görmek için videonun tamamını izleyin.

Ansys Çözümünün Faydaları

CFD modelleme, Ansys’in gelişmiş çözümleri aracılığıyla hidrolik yapıları optimize etme ve değerlendirme potansiyelini göstermektedir. Ön işleme için Ansys SpaceClaim ve Discovery Modeling CAD oluşturma ve hazırlamayı kolaylaştırırken, Ansys Fluent ve CFX çeşitli simülasyon zorluklarının üstesinden gelir. Ansys Ensight gibi yüksek sadakatli son işlem araçları, büyük veri kümelerini etkili bir şekilde analiz eder ve görselleştirir.

Ayrıca CFD sonuçları, Ansys Mechanical ve LS-Dyna tarafından desteklenen Akışkan-Yapı Etkileşimi (FSI) senaryolarındaki yapısal analizlerle entegre edilebilir. Deney Tasarımı (DOE) ve gelişmiş optimizasyon gibi teknikler, Workbench platformundaki DesignXplorer ve Ansys OptiSlang tarafından kolaylaştırılmaktadır. Ansys ayrıca karmaşık modellerin paralel işlenmesi için HPC lisansları ve GPU yetenekleri sunarak kapsamlı değerlendirmeler yapılmasını sağlar.

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.