Santrifüj Pompa İçindeki Akışın Sayısal Analizi

Abstract

Santrifüj pompa tasarımında ve iyileştirilmesinde, bilgisayar destekli mühendislik araçlarının kullanılması tasarım süreci ile maliyetlerini önemli derecede azaltmaktadır. Bu metotda, ilk önce gelen sipariş bilgilerine (pompa debisi, pompa manometrik yüksekliği ve motor devir sayısı) göre tasarım mühendisleri pompanın ön tasarımını tamamlarlar. Daha sonra, pompanın üç boyutlu katı modeli bir Bilgisayar Destekli Konstrüksiyon (BDK) Programı ile oluşturulur. Ardından, üç boyutlu katı pompa modeli ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) uygulamasıyla pompa içindeki akışın sayısal analizi yapılabilir ve santrifüj pompa karakteristik eğrisi çıkarılabilir. Eğer elde edilen sonuçlar tatmin edici değerlerde değilse, prototip yapılmaksızın, üç boyutlu katı çizim modelinde yapılacak tasarım değişiklikleriyle pompa için HAD uygulaması tekrarlanır. Pompa için optimum değerler elde edilinceye kadar bu işlemler tekrarlanır. İstenen performans değerleri alındıktan ve sipariş değerleri tutturulduktan sonra santrifüj pompanın üretimine geçilebilir. Bu çalışmada tek kademeli norm tipi santrifüj pompa nq=22.4 Bilgisayar Destekli Konstrüksiyon programı olan SolidWorks ile tasarlanmıştır. Daha sonra, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) programı CFDesign vasıtasıyla santrifüj pompanın 1450 d/d ve 2900 d/d için karakteristik eğrileri çıkarılmıştır. Elde edilen santrifüj pompa eğrileri deneysel eğrilerle kıyaslanmıştır. Ayrıca santrifüj pompa içindeki akış etüd edilerek, akış bozulmalarının olduğu yerlerde konstrüktif değişikliklere gidilerek düzeltmeler yapılmıştır. HAD uygulamasının yapılabilmesi için ilk önce ele alınacak pompanın katı modeli oluşturulmalıdır. Santrifüj pompanın modellemesi yapılırken, sadece çark ve salyangoz modellenmiştir. Çünkü HAD uygulamasını gerçekleştirmek için sadece akışın geçtiği yerleri modellemek yeterlidir. Bundan dolayı, santrifüj pompa çarkı ve salyangoz modellenmiş ve montajlanarak akış hacimleri oluşturulmuştur. HAD uygulamasının ikinci adımını, katı akış hacimlerinin sayısal ağ tabakasının oluşturulması işlemi almaktadır. Bu işlemde, CFDesign programına aktardığımız pompa geometrisi sonlu birçok elemana bölünerek çözüme hazır hale getirilir. CFDesign HAD programı çözümü gerçekleştirirken Sonlu Elemanlar Yöntemini kullanmaktadır. Ancak eleman sayısı artıkça çözüm süresi uzar ve kullanılan bilgisayarın bellek alanı artar. Bu yüzden sayısal ağ tabakası oluşturulmadan önce pompa geometrisi için sayısal ağ sayısından bağımsız hale getirme çalışmasının yapılması gerekmektedir. Sayısal ağdan bağımsızlaştırma işlemi yapılırken çarkın kanadının basınç tarafındaki basınç katsayısının değişimine sayısal ağ yapısının sayısı değiştirilerek bakılmıştır. HAD uygulamısının üçüncü aşamasını sınır koşullarının ile çözüm ayarlarının yapılması ve çözümleme işlemi almaktadır. Çalışma sırasında sınır koşulları olarak pompa giriş ve çıkışına bir basınç farkı uygulanmış ve bu basınç farkına denk düşen debi HAD programı vasıtasıyla elde edilmiştir. Yani, pompa giriş basıncı olarak sıfır etkin basınç, atmosfer basıncı olarak tanımlanmıştır. Pompa çıkış koşulu olarakta, deneysel değerlere uygun olarak basınç değerleri uygulanarak gerekli debi bulunmuştur. Santrifüj pompa geometrisini temsil eden akış hacmi içinde, 3-boyutlu sıkıştırılamaz Navier-Stokes denklemleri Sonlu Elemanlar Yönteminin kullanıldığı CFDesign HAD programında çözülmüştür. Türbülans modeli olarak k-&#949; türbülans modeli kullanılmıştır. Sonuç olarak, santrifüj pompa giriş ve çıkışına uygulanan basınç farkına denk düşen debi program vasıtasıyla farklı dört nokta için hesaplanmıştır. Bu noktalar birleştirilerek santrifüj pompa için sayısal karakteristik eğri elde edilmştir. Ayrıca, CFD programı vasıtasıyla pompa içinde harcanan hidrolik tork ve güç bulunmuştur. Santrifüj pompanın verdiği debi ve manometrik yükseklikten elde edilen güç bulunmuştur. Elde edilen ve harcanan güçler oranlanarak pompa performans değerleri elde edilmiştir. Sayısal karakteristik eğri ile deneysel karakteristik eğriler kıyaslandığında, özellikle pompanın tasarım noktası ve çevresinde (0,7.Q < Q <1,2.Q) eğrilerin arasındaki farkın çok az olduğu görülmektedir.

In centrifugal pump design and improvement, using computer aided engineering tools reduces the design time and costs significantly. In this method, design engineers complete the pre-design of the centrifugal pump according to pump specifications (flow rate, head and motor speed) firstly. After that, three dimensional solid model of the centrifugal pump is created by using Computer Aided Design (CAD) tool. With solid model of the centrifugal pump and Computational Fluid Dynamics (CFD) tool, the numerical analysis of flow in the centrifugal pump can be performed and centrifugal pump characteristic curves can be obtained. If the results are not satisfactory enough, CFD process are repeated again by changing the construction of the solid model of the centrifugal pump without making any prototype. This process continues until obtaining optimum pump results. After obtaining optimum results, manufacturing process of the centrifugal pump begins. In this study, single stage norm type centrifugal pump with nq=22.4 is designed by using a Computer Aided Design program SolidWorks. Later, the characteristic curves for 1450 rpm and 2900 rpm are obtained by using a Computational Fluid Dynamics program CFDesign. Also, by examining the flow in the centrifugal pump, constructional modifications are performed where there is flow distortion. In order to apply CFD, the solid model of centrifugal pump has to be created at the beginning. During centrifugal pump modeling; only impeller and volute are modeled. Because, to use CFD, it is enough to model the passages where the flow passes through. Thus, the centrifugal pump impeller and volute are modeled and assembled to obtain flow volumes. Second step of the CFD is to create mesh structure in the solid flow volumes. In this process, the centrifugal pump geometry transferred to CFDesign divided in to finite elements to make the pump geometry ready for the solution. CFDesign CFD program uses Finite Element Method for the solution. However, as the number of the elements increases, the solution time and the memory used by the computer increase. For this reason, mesh independence study should be performed for pump geometry before creating mesh structures. While doing mesh independence study, the pressure coefficient on the pressure side of the impeller blades is examined by changing the number of the meshes. Third step for CFD application is to set boundary conditions, to adjust solution setting and solution process. For this study, the pressure difference to the centrifugal pump entry and exit has been applied and according to this pressure difference, the flow rate is obtained by the CFD program. Namely, as a centrifugal pump entry pressure, zero atmospheric effective pressure is applied. For the centrifugal pump exit boundary condition, the pressure according to experimental values is applied and the flow rate necessary for this pressure difference is calculated. 3-Dimensional incompressible Navier-Stokes equations are solved by CFDesign CFD program using Finite Element Method in the centrifugal pump geometry representing the flow volume. As a turbulence model, k-&#949; turbulence model is used. As a result, the flow rate for applied pressure difference to the centrifugal pump entry and exit is calculated at four points on the characteristic curve. By linking these points, the numerical characteristic curve is sketched. Also, by the help of CFD program, the hydraulic torque and power the centrifugal pump consumes is obtained. From flow rate and head, power the centrifugal pump gives is calculated. Furthermore, by dividing powers the centrifugal pump gives and consumes, the performance values of the centrifugal pump are calculated. When the numerical and experimental characteristic curves are compared, the differences between numerical and experimental curves are very little, especially at the design point and around (0,7.Q < Q < 1,2.Q).