در این پژوهش، واحد بیرونی کولر گازی دوتکه و پروانه محوری درون آن، مورد بررسی قرار گرفته است. استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی، برای پیشبینی رفتار جریان، در عرض چند دهه ی گذشته، پیشرفت چشمگیری داشته است. امروزه، دینامیک سیالات محاسباتی، به صورت یک ابزار قدرتمند و توانا، برای تحلیل رفتار جریان سیال، در سیستمهای با معادلات حاکم پیچیده و هندسههای ناموزون برای محققان و مهندسان درآمده است. پیچیدگی معادلات حاکم، تأثیر متقابل پدیده های فیزیکی مختلف، گذرا بودن اغلب مسائل مهندسی، بالا بودن هزینههای مربوط به تجهیزات آزمایشگاهی و محدودیت استفاده از دستگاههای اندازهگیری در بسیاری از مسایل علمی، از جمله دلایلی هستند، که استفاده از روشهای تحلیلی و آزمایشگاهی را در مقایسه با روشهای عددی محدود میکند.
شبیه سازی CFD کولر گازی دوتکه
شبیهسازی CFD کولر گازی دوتکه شامل سه مرحلهی اصلی مدلسازی هندسی، تولید شبکه ی محاسباتی و حل معادلات حاکم بر جریان میباشد. که در این بخش می خواهیم مدلسازی هندسی را مورد بررسی قرار دهیم.
مدلسازی هندسی
مدلسازی هندسی واحد بیرونی کولر گازی دوتکه، به دلیل دارا بودن پیکرهای متشکل از اجزای مختلف از جمله کمپرسور، مبدل حرارتی، پروانه محوری، پوسته و سایر اجزای کولر، فرآیند پیچیده و زمان بری محسوب میشود. برای تسهیل این فرآیند، هندسه پیچیدهی واحد بیرونی، به هندسههای ساده تر تفکیک میشوند. این هندسهها در واقع همان اجزای تشکیلدهنده واحد بیرونی هستند. هر هندسه بهصورت جداگانه مدلسازی و در نهایت با هندسههای مدلسازیشده، مدل هندسه پیچیده نهایی تولید میشود. پروانه محوری، پیچیدهترین هندسه موجود در این سیستم را دارا میباشد. برای بهدست آوردن مدل هندسی کولر گازی دوتکه، باید ابعاد هندسی جسم موردنظر اندازه گیری شود. برای اندازهگیری این ابعاد روشهای مختلفی، نظیر اسکن لیزری، قالبگیری، وسایل اندازه گیری مختلف مانند کولیس، ریزسنج و روشهای مختلف دیگر وجود دارد.
بنابراین برای تعیین مدل هندسی پروانه راهکارهای دیگری ارایه شده است. مجموعه این راهکارها منجر به فرآیند جدیدی در به دست آوردن هندسه پیچیده اجسام شده است. برای این منظور، مدلسازی هندسی پروانه با اندازهگیری ابعاد، با استفاده از وسایل اندازهگیری مستقیم و استفادهی همزمان از نرم افزارهای طراحی به کمک کامپیوتر صورت پذیرفته است . در مدلسازی هندسی پروانه، تیغه ی فن در چند مقطع برش داده میشود و اطلاعات آن به نرم افزارهای طراحی به کمک کامپیوتر انتقال مییابد. در این نرم افزارها، سطوح انتقال یافته با استفاده از روش های برازش منحنی به هم متصل شده و انحناهای نهایی به دست می آید. در صورتیکه انحنای به دست آمده از دقت کافی برخوردار نباشد، تعداد سطوح برش خورده و انتقال یافته افزایش مییابد.
ارزیابی شبکه های مختلف کولر گازی دوتکه
در این قسمت، تولید یک شبکه بهینه که با کمترین تعداد نقاط و المانها بتواند دقت موردنظر را با توجه به خصوصیات هندسه و جریان سیال فراهم سازد، مورد ارزیابی قرار گرفته است. نرخ جریان خروجی از واحد بیرونی کولر گازی دوتکه در سرعت دورانی 695 rpm ، به عنوان معیاری برای ارزیابی شبکه های مختلف درنظر گرفته شده است. بدین منظور، 4 شبکه با تراکم های مختلف تولید شده است.
با توجه به تغییر بسیار کم نرخ جریان خروجی حاصل از شبیه سازی بین شبکه های سوم و چهار م و در نظر گرفتن این نکته ، که شبکه چهارم هزینهی محاسباتی بالاتری دارد، شبکه سوم به عنوان شبکهای قابل قبول، برای روند دینامیک سیالات محاسباتی در نظر گرفته شده است و در ادامه، شبیه سازیها با استفاده از این شبکه انجام میشود.
نتایج حل جریان کولر گازی دوتکه
در این قسمت نتایج حل جریان در کد تجاری دینامیک سیالات محاسباتی فلوئنت در قالب کانتورهای توزیع فشار، توزیع سرعت و نمایش خطوط جریان ارایه میشود. توزیع فشار کل، تحت تأثیر مقادیر فشار استاتیک و دینامیک میباشد. در نواحی که سرعت جریان بیشتر است، سهم عمده ای از فشار کل را فشار دینامیک تشکیل میدهد. توزیع فشار کل حول پروانه فن کولر گازی دوتکه ، مشابه توزیع فشار استاتیک در این ناحیه میباشد. در سطوح فشار پرهها سهم عمدهای از فشار مربوط به فشار استاتیک است، اما در سطوح مکش بهویژه در نزدیکی ریشه پره فشار دینامیک سهم بیشتری دارد.
نتیجه گیری
با کمک مدل آشفتگی k −ε تحقق پذیر جریان درون واحد بیرونی، کولر گازی دوتکه بررسی و تحلیل شد. این فرایند شامل سه مرحلهی مدلسازی هندسی، تولید شبکه ی محاسباتی و حل جریان میباشد. با استفاده از فرآیند ارایه شده، هندسه پروانه محوری با تمام جزئیات مربوط به آن با دقت بالا به دست آمد. این فرآیند مبتنی بر بهدست آوردن مختصات هندسی سطوح بریده شده و مدلسازی همزمان آن ها با استفاده از نرم افزارهای طراحی به کمک رایانه میباشد.
برای به دست آوردن شبکه بهینه، 4 شبکه با تراکم متفاوت تولید شده و درصد اختلاف دبی آن با حالت تجربی به دست آمد. شرط مرزی محیط متخلخل به رادیاتور و چارچوب مرجع چرخان برای سیال اطراف پروانه درنظر گرفته شد.
نتایج به دست آمده از حل جریان نشان میدهد که پروانه باعث افزایش فشار و سرعت درون واحد بیرونی میشود ولی هرچه در جهت طولی به سمت جلو حرکت میکنیم، از سرعت و فشار کاسته میشود.
نمایش خطوط جریان نشان دهندهی، ایجاد چندین گردابه در داخل واحد بیرونی کولر گازی دوتکه میباشد. از عوامل ایجاد این گردابه ها میتوان به برهمکنش بین پروانه و کانال خروجی، جدایش جریان و تغییر علامت فشار در جلو توپی فن اشاره کرد. گردابهی نوک به علت اختلاف فشار بین سطوح مکش و تراکم ایجاد میشود و نقش عمدهای در ایجاد نویز سیستم دارد.
مقایسه بین نتایج شبیه سازی با داده های تجربی حاکی از اختلاف % 6/4 در دبی خروجی جریان میباشد.