2. Példa Radiális átömlésű örvényszivattyú

A szivattyúk járókerekének visszaesztergálása a szivattyú jó hatásfokú szabályzásának egy szokásos módszere. Jelentős energia megtakarítás érhető ilyen módon, ha a szivattyú fojtásos szabályzással üzemel és teljesen nyitott fojtási állapot nem fordul elő, mert a szivattyú a szükségesnél nagyobb nyomást állít elő.

Ebben a feladatban egy egyszerűsített szivattyú modell segítségével megvizsgáljuk a szivattyú áramképét és azt, hogy a járókerék átmérőjének csökkentése milyen mértékben csökkenti a szivattyú nyomásását.

Egy ténylegesen létező radiális átömlésű szivattyút vizsgálunk. A szivattyú abszolút áramképét lézeres tomográfiás (PIV) módszerrel határozták meg a Magdeburgi Egyetemen (Ref: E.Pap). Az abszolút koordináta-rendszerben mért sebességvektorok az alábbi ábrán láthatók. A járókerék a 0;0 pont körül balra forog. Látható, hogy a lapátok forgásirányban eltérítik a folyadékot és ezzel, az Euler-féle turbinaegyenlet értelmében egyúttal össznyomás-növekedést hoznak létre.

A modellezés során kihasználjuk, hogy az egyes lapátcsatornákban közel azonos, periodikus áramkép alakul ki, ami akkor tekinthető jó közelítésnek, ha a csigaházban a nyomás nem változik jelentősen. Ezzel az egyszerűsítéssel élve, a számítási tartomány csak egyetlen lapátot tartalmaz és a két szomszédos lapátcsatorna egy-egy felét. A szivattyú fordulatszáma 10 1/sec. A belépő áramlás sebességét és a járókerék sugarát paraméteresen modellezzük.

Alappontok (JScript)

- Hozzon létre egy projekt sémát FLUENT-ben végzett 2D szimulációhoz!

- Mentse el a projektet pl. "Szivattyu" néven.

Geometria

A modellezés első részfeladata egy lapát körüli sík áramlási tér lentebb látható modelljének elkészítése (a „Hálógenerálás” című alpont első ábrájának megfelelően).

- Válassza a mm mértékegységet.

- Töltse le az alappontokat tartalmazó JScript fájlt!

- Kattintson a XY síkra és futtassa a JScript-et!

- Váltson Sketching módba!

- Hozza létre a lapátot határoló 4 db körívet, közben ügyeljen az automatikusan kiválasztott kényszerek helyességére! (A kilépő élnek megfelelő, jobb oldalon lévő körív középpontja az origó.)

- Hozza létre a számítási tartomány oldalsó határát képező szplájnt!

- Másolja le a szplájnt az origó körül 60°-al elforgatva:

Kiválasztani a vonalat, Copy, Balklikk az origóra,

Paste, 60°, jobbklikk, Rotate by -r, Balklikk az origóra.

- Zárja be a tartományt origó körüli körívekkel, így a rajz már két zárt görbéből áll (a belső a lapát).

- Adjuk meg a lapátra vonatkozó kényszereket a Constrains eszközökkel:

Fixed: a lapát belépő éle, valamint annak két végében található konstrukciós alappontok.

- Méretezzük be a járókerék sugarát: 125 mm, publikáljuk ezt a paramétert R2 néven.

- Modelling módban hozzuk létre a felületet Add Frozen opcióval!

- Zárja le a Design Modellert és kezdje el a háló szerkesztését!

Hálógenerálás

- Definiálja az alábbi peremfeltételi zónákat a kontúrvonalakhoz Named Selection-ök hozzáadásával:

Velocity_inlet

Interface1

Interface2

Pressure_outlet

Wall1

Wall2

Wall3

Wall4

- Állítsa be az alábbi háló méreteket:

Min Size = 0.001 m

Max Face Size = 0.002 m – Ezt jelölje be modellparaméterként!

- Hozzon létre határréteg hálót a lapát körül Inflation kontrol beszúrásával az alábbi paraméterekkel:

Geometry: a teljes felület,

Boundary: a lapát körvonalának éleit válassza ki (Ctl + egér bal),

Transition ratio = 0.6

Number of Layers = 4

Growth Rate = 1.5

- Készítsen hálót az Update gomb megnyomásával!

- Zárja le a hálózó ablakát!

- Indítsa el a FLUENT-et!

A modell paraméterezése

- Hozzon létre periodikus határfelületet a két Interface összekapcsolásával Define/Mesh Interfaces:

Mesh Interface = "Per"

Interface Zone 1: Interface1

Interface Zone 2: Interface2

Periodic Boundary Condition: Bekapcsolni

Type: Rotational

Create

- Válassza ki a realizable k-epszilon turbulencia modellt: Models/Viscous = k-epsilon

k-epsilon Model: realizable

Near Wall Treatment: Enhanced Wall Treatment

- Válassza ki a vizet a FLUENT adatbázisából: Materials/Create/FLUENT Database/FLUENT Fluid Materials: Water Liquid, Copy.

- Definiálja a folyadékot és a forgást: Cell zone conditions/Edit:

Material Name: water-liquid,

Frame Motion: bekapcs

Speed (rad/s) = 62.8

- Adja meg a belépő áramlás jellemzőit: Boundary Conditions/Velocity Inlet:

Velocity Magnitude (m/s) = 3.5,

Turbulence Specification Method: Intensity and Hydraulic Diameter,

Turbulent Intensity (%) = 10

Hydraulic Diameter (m) = 0.01

- Válassza ki a megoldási módszert (Solution Methods) az alábbiak szerint:

Pressure-Velocity Coupling: Coupled

Momentum: Second Order Upwind,

Turbulent Kinetic energy: Second Order Upwind,

Turbulent Dissipation Rate: Second Order Upwind.

- Állítsa be a konvergencia kritériumokat: Monitors/Residuals/Edit:

Equations/Absolute Criteria: minden mezőváltozóra legyen 0.00001 !

- Inicializálja a megoldást! Solution Initialization: Initialize.

A konvergenciát számítás közben nyomon kell követni. Az iterációs lépések szükséges számát, arra alkalmas kritériumok alapján kell megválasztani. Ilyen kritériumok lehetnek: a reziduumok adott érték alá csökkenése, továbbá az erőtényezők és más integrál paraméterek állandósulása. Ebben az esetben javasolható a lapátra ható forgatónyomaték megjelenítése az alábbi módon:

Solution/Monitors/ itt válassza a Create legördülő menüből a Moments opciót, ezen belül pedig:

Lapátfalak kiválasztása;

Plot: bekapcsolni.

View/Graphics Window Layout/...két grafikus ablak.

- Futtassa a számítást! Run Calculation:

Number of Iterations: 500

Calculate

Kiértékelés, paraméteres vizsgálatok

- Határozza meg a nyomás átlagértékét a belépő keresztmetszetben és publikálja ez eredményt output paraméterként! Report/Surface Integrals/Set Up

Report Type: Area Weighted Average

Field Variable: Pressure, Static Pressure

Surface: Velocity Inlet

Compute

Save Output Parameter, Name: DP

- Jelenítse meg az alábbi jellemzőket:

Abszolút és relatív sebességvektorok

Relatív áramvonalak

Nyomásmegoszlás a teljes tartományban

Nyomásmegoszlás a lapát felületén (x-y) grafikonon

Határozza meg a lapátra ható forhatónyomatékot!

- Ismételje meg az elemzést a hálóméret paraméterének 0.002 m-re állítását követően, majd hasonlítsa össze a futási eredményeket!

- Ismételje meg az elemzést 110 mm sugarú járókerékre a R2 paraméter módosításával és vesse össze az eredeti geometria eredméneivel!