Santrifüj pompadaki akışın sayısal yöntemlerle incelenmesi

Abstract

Hesaplamalı akışkanlar dinamiğinin, pompa tasarımlarında kullanılması, tekrarlayan prototip ve test yapma süreçlerini azaltarak, zaman ve maliyet açısından avantaj sağlamakla beraber, deneysel olarak gözlenmesi imkansız noktalarda dahi pompa içindeki akışa ait veriler elde edebilmeyi mümkün kılmaktadır. Böylece, akışta verim düşüşüne sebep olabilecek akış karakteristiği görülmesi durumunda, pompa geometrisinde düzeltmelere gidilebilmektedir. Bu çalışmada bir santrifüj pompaya ait çark ve salyangozdaki akışın, Ansys CFX programı ile analizi gerçekleştirilmiştir. Hem duvar yakınında doğru sonuçlar vererek akıştaki ayrılmaları görmeyi sağlaması, hem de turbomakinalarda sıkça tercih edilen bir model olması nedeniyle, türbülans modeli olarak Shear Stress Transport (SST-Kayma Gerilmesi Taşınımı) kullanılmıştır. Sayısal ağ ise, duvarlarda sınır tabaka ağı (inflation), diğer yerlerde ise tetrahedral elemanlar kullanılarak oluşturulmuştur. Akışın çözümünün doğruluğunu sağlamak adına; kullanılacak duvar yakını yaklaşımına uygun bir boyutsuz duvar uzunluğu (y^+) değeri belirlenerek, sınır tabaka ağının ilk hücre yüksekliği hesaplanmıştır. Sınır şartları olarak, girişe basınç değeri, çıkışa ise debi değeri, deney koşullarına uygun olacak şekilde verilmiştir. Çark belli bir açısal hızla dönmesine rağmen salyangoz durağan olduğundan donmuş rotor (frozen rotor) modeli kullanılmıştır. Beş adet debi değeri için analiz gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, HAD ile elde edilen pompa performans eğrisi, deneysel olarak elde edilen eğri ile kıyaslanmıştır. Ayrıca, çark ve salyangoz orta kesitlerindeki akış detaylı bir şekilde incelenerek, sorunlu görülen yerler ve nedenleri yorumlanmıştır.Application of CFD in pump design process provides not only time and cost advantage by reducing the number of repetitive prototype and experiment stages but also allow us to obtain the data of the flow within the pump even in regions of the pump where it is impossible to observe experimentally. So that, it is possible to make modifications in the pump geometry, if the flow characteristics that can lead to a decrease in the pump efficiency, is determined. In this study, steady state simulations of the flow inside the impeller and volute of a centrifugal pump were carried out by using Ansys CFX software. Shear Stress Transport (SST) turbulence model was used due to its high accuracy in analyzing near wall regions and widespread applications in turbomachinery. Meshing was generated by using inflation to resolve the boundary layer at walls and tetrahedral elements used in the remaining regions. In order to obtain accurate solution of the flow; first cell distance in the inflation layer was calculated by determining an appropriate dimensionless wall distance (y^+) value according to the near wall treatment that was chosen. Pressure at inlet and mass flow rate at outlet are assigned as boundary conditions in accordance with the test conditions. In simulations, frozen rotor model was used, since the impeller rotates at a certain speed while the volute is stationary. The simulations were performed for five different mass flow rate values. For validation of the simulation results, a comparison between the pump performance curves that are obtained from CFD simulations and experiments, was performed. Cross sections of impeller and volute were taken at 0.5 span and the flow in these cross sections was observed to determine the disturbances in the flow.