II. 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. 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.
II.1.ábra PIV méréssel meghatározott abszolút sebességvektorok a szivattyúban [Ref: E.Pap]
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.
- 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:
o Kiválasztani a vonalat, Copy, Balklikk az origóra,
o 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:
II.2.ábra 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
II.3.ábra A tartomány kontúrja
· Definiálja az alábbi peremfeltételi zónákat a kontúrvonalakhoz Named Selection-ök hozzáadásával:
A. Velocity_inlet
B. Interface1
C. Interface2
D. Pressure_outlet
E. Wall1
F. Wall2
G. Wall3
H. Wall4
· Állítsa be az alábbi háló méreteket:
o Min Size = 0.001 m
o Max Face Size = 0.002 m – Ezt jelölje be modellparaméterként!
· Hozzon létre határréteg hálót a lapát körül Inflation kontrol beszúrásával az alábbi paraméterekkel:
o Geometry: a teljes felület,
o Boundary: a lapát körvonalának éleit válassza ki (Ctl + egér bal),
o Transition ratio = 0.6
o Number of Layers = 4
o Growth Rate = 1.5
· Készítsen hálót az Update gomb megnyomásával!
· Zárja le a hálózó ablakát!
· Indítsa el a FLUENT-et!
II.4.ábra Numerikus háló
A modell paraméterezése
· Hozzon létre periodikus határfelületet a két Interface összekapcsolásával Define/Mesh Interfaces:
o Mesh Interface = "Per"
o Interface Zone 1: Interface1
o Interface Zone 2: Interface2
o Periodic Boundary Condition: Bekapcsolni
o Type: Rotational
o Create
· Válassza ki a realizable k-epszilon turbulencia modellt: Models/Viscous = k-epsilon
o k-epsilon Model: realizable
o 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:
o Material Name: water-liquid,
o Frame Motion: bekapcs
o Speed (rad/s) = 62.8
· Adja meg a belépő áramlás jellemzőit: Boundary Conditions/Velocity Inlet:
o Velocity Magnitude (m/s) = 3.5,
o Turbulence Specification Method: Intensity and Hydraulic Diameter,
o Turbulent Intensity (%) = 10
o Hydraulic Diameter (m) = 0.01
· Válassza ki a megoldási módszert (Solution Methods) az alábbiak szerint:
o Pressure-Velocity Coupling: Coupled
o Momentum: Second Order Upwind,
o Turbulent Kinetic energy: Second Order Upwind,
o Turbulent Dissipation Rate: Second Order Upwind.
· Állítsa be a konvergencia kritériumokat: Monitors/Residuals/Edit:
o Equations/Absolute Criteria: minden mezőváltozóra legyen 0.00001 !
A számítás inicializálása és futtatása
· 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:
o Lapátfalak kiválasztása;
o Plot: bekapcsolni.
· View/Graphics Window Layout/...két grafikus ablak.
· Futtassa a számítást! Run Calculation:
o Number of Iterations: 500
o Calculate
Kiértékelés, paraméteres vizsgálatok
· Határozza meg a nyomás átlagértékét a belépő keresztmetszetben és publikálja ez eredményt output paraméterként! Report/Surface Integrals/Set Up
o Report Type: Area Weighted Average
o Field Variable: Pressure, Static Pressure
o Surface: Velocity Inlet
o Compute
o Save Output Parameter, Name: DP
· Jelenítse meg az alábbi jellemzőket:
o Abszolút és relatív sebességvektorok
o Relatív áramvonalak
o Nyomásmegoszlás a teljes tartományban
o Nyomásmegoszlás a lapát felületén (x-y) grafikonon
o Határozza meg a lapátra ható forgatónyomatékot!
· 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 eredményeivel!
II.5.ábra Nyomásmegoszlás
II.6.ábra Áramvonalak a sebesség nagysága szerint szívezve