شبیه سازی جریان در کولر گازی دو تکه

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.