ANOVA MÜHENDİSLİK LTD. ŞTİ.

Transkript

1 ÇOK KADEMELİ POMPA PERFORMANSININ CFD YÖNTEMİYLE BELİRLENMESİ Ahmet AÇIKGÖZ Mustafa GELİŞLİ Emre ÖZTÜRK ANOVA MÜHENDİSLİK LTD. ŞTİ. KISA ÖZET Bu çalışmada dört kademeli bir pompanın performansı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yardımıyla belirlenmiştir. Pompa geometrisini temsil eden akış hacmi içinde 3 boyutlu, sıkıştırılamaz Navier-Stokes denklemleri Sonlu Hacimler Yöntemi kullanılarak çözülmüştür. Akış analizleri için FLUENT isimli HAD yazılımı kullanılmıştır. Pompa çarklarının dönüşü Moving Reference Frame yöntemi kullanılarak modellenmiştir. Sonuçlar 2900 devir/dakika dönüş hızı ve 106 m basma yüksekliği için yapılmış deney sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. GİRİŞ Her üründe olduğu gibi turbomakinalarda da tasarlanan ürünün performansının henüz tasarım aşamasındayken bilinmesi büyük önem taşımaktadır. Bu sayede performansı düşüren etkenler tasarım aşamasında elemine edilerek optimum performansa sahip ürünler elde edilebilir. Bunun için her tasarımın istenilen performansı verip vermediği deneyler yardımıyla belirlenir ve eğer istenilen performans elde edilemiyorsa tasarım değişikliğine gidilir. Bu döngü istenilen performansı veren ürün elde edilinceye kadar devam eder. Ancak bu işlemler, her seferinde prototip üretme gerekliliği nedeniyle, zaman alıcı ve yüksek maliyetli olabilir. Ayrıca ürün belirlenen performansı sağlayamıyorsa performans kaybına neyin sebep olduğunu anlamak klasik deneylerde her zaman çok kolay olmayabilir. Bu durumda performans artımı için yapılması gereken değişikliklere karar vermek oldukça zorlaşır ve ister istemez bir deneme yanılma sürecine girilerek tasımın hem süresi uzar hem de maliyeti artar. HAD kullanarak ürün performansının belirlenmesi ise beraberinde bir takım avantajları da getirir. Bunlardan ilki ürün testi için prototip yapma zorunluluğunun ortadan kalkmasıdır. Tasarım tamamen bilgisayar ortamında yapılır ve test edilir, dolayısı ile prototip imali için bir yatırıma gerek kalmaz. Bunun yanında yapılan HAD analizleri sonucunda akış alanı tümüyle belirlendiğinden performansı kötü yönde etkileyen unsurlar rahatlıkla saptanıp yapılacak iyileştirmelere kolaylıkla karar verilebilir. Böylece deneme yanılma yöntemine nazaran çok daha kısa sürede nihai ürüne erişilebilir. Hatta akış alanındaki tüm detaylar incelenerek ürün performansının daha da artırılması sağlanabilir.

2 SAYISAL MODEL Pompanın gerçek geometrisini simüle edebilmek için sayısal ağ oluşturulurken, üretime yönelik hazırlanmış bir katı model baz alınmıştır. Bu katı model kullanılarak pompanın akış hacmi çıkarılmıştır. Şekil 1 de pompanın bir resmi görülmektedir. Bu resimde pompanın dış kısmına saydamlık verilmiştir. Şekil 1. Pompanın genel görünüşü. Sayısal ağ oluşturulurken her türlü geometri ile kolay bir şekilde çalışma imkanı sunan tetragonal elemanlar kullanılmıştır. Sayısal ağda toplam olarak eleman bulunmaktadır. Sayısal ağ Şekil 2 de görülebilir. Akış hacmi ve sayısal ağ oluşturma işlemlerinin tamamı GAMBIT isimli program kullanılarak yapılmıştır

3 Şekil 2. Pompanın sayısal ağından bir görünüş ÇÖZÜCÜ AYARLARI Çözücü Ayarları : Pompanın analizi FLUENT isimli Sonlu Hacimler Yöntemini kullanan bir HAD programı ile yapılmıştır. FLUENT programı turbomakina uygulamalarında dönel eksen takımlarını kullanarak akış alanının çözülmesine imkan vermektedir. Akış alanı dönel eksen takımlarının kullanımına imkan vermek için 5 ayrı bölümden (çarkları temsil eden 4 bölüm ve modelin geri kalan kısmı için 1 bölüm) oluşturulmuştur. Modelde çarkları temsil eden bölgelerin dönüşü Moving Reference Frame yöntemi kullanılarak modellenmiştir. Taşınım terimler içeren tüm denklemler (x, y ve z momentum denklemleri, k denklemi ve ε denklemi ) daha hassas sonuç alabilmek için Second Order Upwind yöntemiyle ayrıklaştırılmıştır.

4 Malzemeler : Pompa analizinde akışkan olarak malzeme özellikleri aşağıda verilen su kullanılmıştır. Yoğunluk 998,2 kg/m 3 Viskozite 0, kg/m.s Enerji denklemi hesaba katılmadığı için ve zamandan bağımsız bir çözüm yapıldığı için ısıl iletkenlik katsayısı ve ısı kapasitesi değerleri analizde kullanılmamıştır. Sınır Şartları : Giriş Pressure Inlet sınır tipi kullanılarak modellenmiştir. Bu sınırda 1 atmosferlik toplam basınç tanımlanmıştır. Türbülans yoğunluğu %5 ve hidrolik çapta pompa giriş ağzının çapı olarak alınmıştır. Çıkış Pressure Outlet sınır tipi kullanılarak modellenmiştir. Burada girilecek statik basınç değeri pompanın 106 m olarak bilinen basma yüksekliğinden hesaplanmıştır. Bu ise yaklaşık olarak Pascal dır. Çarklara Moving Reference Frame yöntemi kullanılarak 2900 RPM dönme hızı verilmiştir. Ayrıca tüm duvarlara kaymama sınır şartı tanımlanmıştır. SONUÇLAR Analiz sonucunda pompa içerisindeki akış detayları elde edilmiştir. Aşağıda analiz sonrası elde edilen sonuçlardan bazı örnekler görülebilir. Şekil 3 rotorlar boyunca statik basınç değişimini göstermektedir. İki numaralı rotorun bir bölümündeki göreceli hız vektörleri ise Şekil 4 te görülebilir. Şekil 5 ise yine bir rotorun kanatları arasındaki akım çizgilerini göstermektedir.

5 Şekil 3. Rotorlar üzerindeki statik basınç dağılımı (Pa). Şekil 4. Rotor kanatları arasındaki hız vektörleri. Akıştaki bozulma açıkça görülebiliyor.vektörler hız büyüklüğüne göre renklendirilmiştir (m/s).

6 Şekil 5. Rotor kanatları arasındaki akım çizgileri. Akımdaki bozulma burada da oldukça açık Tablo 1 ise analiz sonuçlarıyla deney sonuçları karşılaştırmalı olarak göstermektedir. Tablodan da açıkça anlaşılabileceği gibi analiz sonuçlarıyla deney sonuçları birbirine oldukça yakındır Tablo 1. Analiz sonuçları ile deney sonuçlarının karşılaştırılması. SONUÇ Çok kademeli bir pompanın performansı FLUENT isimli bir HAD programı yardımıyla hesaplanmış ve elde edilen sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Deneysel veriler ile analiz sonuçlarının birbirlerine oldukça yakım olduğu saptanmıştır. Bu is bu tip bir pompanın performansının HAD yardımıyla isabetli bir şekilde hesaplanabileceğini gösterir. Kullanılan HAD yazılımı sadece genel değerleri (debi, verim) vermekle kalmamış ayrıca akış alanının detayını da çıkarmış ve performansa etki eden bölgelerin kolayca saptanmasına da olanak sağlamıştır.