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. 

 

Leírás: NyersMeres

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.

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:

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:

Leírás: \\shrek\public\Personal\kristof_del20130118\Transzfer\belepoel.PNG

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