مهندسی توربوماشین

مهندسی توربوماشین چیست؟

طراحی، تجزیه و تحلیل و بهینه‌سازی ماشین‌هایی که انرژی را بین یک سیال و یک جزء دوار انتقال می‌دهند، تمرکز رشته مهندسی مکانیک به نام مهندسی توربوماشین است. این زیر شاخه از مهندسی مکانیک زیر مجموعه مهندسی مکانیک است. این دستگاه ها که به عنوان توربوماشین شناخته می شوند، در صنایع مختلفی از جمله نیرو، هوافضا، نفت و گاز و نیروی محرکه دریایی مورد استفاده قرار می گیرند.

توربوماشین ها به دو دسته تقسیم میشوند: توربین ها و پمپ ها/کمپرسورها. پمپ‌ها و کمپرسورها انرژی را از یک جزء دوار به یک سیال منتقل می‌کنند، در حالی که توربین‌ها، ماشین‌هایی که انرژی را از سیال جمع‌آوری کرده و آن را به انرژی دورانی تبدیل می‌کنند.

در مهندسی توربوماشین، ارزیابی عملکرد قطعات شامل تیغه‌ها، پروانه‌ها و دیفیوزرها با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و سایر روش‌های شبیه‌سازی پیشرفته انجام می‌شود. علاوه بر این، برای ارزیابی و بهبود نتایج به دست آمده از طریق شبیه سازی، نیاز به استفاده از روش های تجربی، مانند آزمایش در تونل های باد و تجسم جریان دارد.

برای طراحی موفقیت آمیز اجزای توربوماشین، نیاز به دانش عمیق دینامیک سیالات، ترمودینامیک و علم مواد است. مهندسانی که روی توربوماشین کار می کنند یک مسئولیت اضافی دارند: آنها باید اثرات عواملی مانند کاویتاسیون، فرسایش و ارتعاش را در نظر بگیرند که همه این عوامل می توانند تأثیر قابل توجهی بر عملکرد و قابلیت اطمینان توربوماشین داشته باشند.

به طور کلی، مهندسی توربوماشین‌ها نقش مهمی در تکامل هوافضا و سایر صنایع پیشرفته و همچنین توسعه سیستم‌های انرژی که هم مؤثر و هم دوستدار محیط‌زیست هستند، ایفا می‌کند.

توربوماشین ها وسایلی هستند که در آنها انرژی کل یک محیط کار به انرژی مکانیکی تبدیل می شود و بالعکس. توربوماشین ها به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می شوند. دسته اول در درجه اول برای تولید نیرو استفاده می شود و شامل توربین های بخار، توربین های گاز و توربین های هیدرولیک است. وظیفه اصلی دسته دوم افزایش فشار کل سیال عامل با مصرف برق است که شامل کمپرسورها، پمپ ها و فن ها است. پمپ ها و توربین ها به دلیل کاربردهایشان انواع مختلفی دارند. با این حال، محبوب ترین آنها در صنعت، محوری و گریز از مرکز هستند. بهینه سازی توربوماشین ها در صنعت بسیار مهم است زیرا انرژی زیادی مصرف می کنند. بنابراین عملکرد بهتر باعث کاهش مصرف انرژی می شود و به ما کمک می کند تا محیطی تمیزتر داشته باشیم.

چگونه می توان از شبیه سازی CFD در صنایع مهندسی توربوماشین استفاده کرد؟

تئوری اساسی در فرآیند مدلسازی توربوماشین را می توان از طریق انتقال انرژی جنبشی جریان سیال به خود توربوماشین یا بالعکس توضیح داد. در دو دسته ای که قبلاً ذکر شد، برای توربوماشین هایی مانند توربین، جریانی با فشار و تکانه مشخص به پره های توربین برخورد می کند و انرژی آن را به توربین منتقل می کند و باعث می شود شفت آن در داخل ژنراتور بچرخد و اشکال مختلفی از انرژی تولید کند. در ماشین‌هایی مانند پمپ‌ها و کمپرسورها، برای چرخاندن پروانه‌های این دستگاه‌ها برای انتقال نیرو به سیال برای اهداف ثانویه، به الکتریسیته نیاز است.

ایجاد دستگاه‌های توربو مؤثرتر مستلزم درک عمیق‌تر عناصر تأثیرگذار بر عملکرد و تنظیم دقیق آن‌ها است. شبیه‌سازی‌های کامپیوتری امروزی، ارائه راه‌حل‌هایی برای بهینه‌سازی طراحی و عملکرد توربوماشین‌ها را ساده‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر از همیشه می‌کند. مهندسان CAE می توانند به راحتی طراحی (هندسه پره ها، زوایای جریان، سرعت جریان جرم و افت فشار) را برای افزایش عملکرد از مراحل اولیه طراحی با اطلاعات خاص در مورد الگوی جریان داخل توربین ها، پمپ ها و دمنده های کمپرسور بهینه کنند.

برای پیشنهاد جایگزین‌ها و مفاهیم طراحی عملی، طراحی مبتنی بر شبیه‌سازی برای توربوماشینری به شناسایی جنبه‌های حیاتی مؤثر بر عملکرد دستگاه کمک می‌کند. تعداد آزمایش‌های نمونه اولیه به شدت کاهش یافته است، اما تعداد نمونه‌های اولیه مجازی هنگام استفاده از شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی مجازی نامحدود است. با کاهش تعداد اندازه‌گیری‌ها، CFD به مهندسانی که در Turbomachinery کار می‌کنند این امکان را می‌دهد تا محصولات جدید را با سرعت بیشتری توسعه دهند.

شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) یک تکنیک قدرتمند است که در مهندسی توربوماشین‌ها برای بهینه‌سازی طراحی و عملکرد توربوماشین‌های مختلف مانند پمپ‌ها، کمپرسورها، توربین‌ها و فن‌ها مورد استفاده قرار می گیرد. CFD یکی از کلمات اختصاری است که مخفف دینامیک سیالات محاسباتی است. در صنایعی که با مهندسی توربوماشین آلات سروکار دارند، نمونه‌هایی از نحوه استفاده از شبیه‌سازی CFD در زیر آمده است:

– بهینه سازی طراحی: شبیه سازی CFD ابزاری است که می تواند طراحی اجزای توربوماشین ها مانند پروانه ها، تیغه ها و دیفیوزرها را بهبود بخشد. مهندسان می توانند با شبیه سازی رفتار جریان در داخل این اجزا، مکان های افت فشار، گردش مجدد و آشفتگی قابل توجه را در داخل این اجزا پیدا کنند. هنگامی که این مناطق شناسایی شدند، طراحی را می توان برای کاهش اثرات این مناطق و بهبود عملکرد کلی توربوماشین تغییر داد.

– پیش‌بینی عملکرد: شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) می‌تواند برای پیش‌بینی دقیق عملکرد توربوماشین‌ها تحت شرایط مختلف عملیاتی، از جمله تغییر در نرخ جریان، دما و فشار، در میان متغیرهای دیگر استفاده شود. مهندسان می توانند با شبیه سازی رفتار جریان ماشین، ویژگی های عملکرد توربوماشین را پیش بینی کنند. این ویژگی های عملکردی عبارتند از افزایش فشار، مصرف برق و راندمان، که مهندسان می توانند طراحی را برای به دست آوردن ویژگی های عملکرد مورد نیاز بهبود بخشند.

– مشاهده رفتار جریان: CFD به مهندسان در مکان یابی مناطق جداسازی جریان، گردش مجدد و آشفتگی در سیستم کمک می کند. مهندسان می توانند با تجسم رفتار جریان، بینشی در مورد پدیده های جریان پیچیده در اجزای توربوماشین به دست آورند و طراحی را برای کاهش عواقب این پدیده های پیچیده جریان تنظیم کنند.

– تجزیه و تحلیل کاویتاسیون: شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) می تواند برای تجزیه و تحلیل وقوع کاویتاسیون در اجزای توربوماشین آلات مانند پمپ ها و توربین ها استفاده شود. با شبیه‌سازی رفتار جریان در داخل این قطعات، مهندسان می‌توانند مناطقی با فشار کم را که پتانسیل ایجاد حباب‌های کاویتاسیون را دارند، شناسایی کنند، که می‌تواند باعث آسیب دیدن قطعات و کاهش عملکرد آنها شود. مهندسان می توانند با اصلاح طرح پس از تحقیق در مورد بروز کاویتاسیون و تعیین چگونگی کاهش اثرات آن، عملکرد کلی توربوماشین را افزایش دهند.

به طور کلی، شبیه سازی CFD یک ابزار قوی است که در صنعت مهندسی توربوماشین برای بهینه سازی طراحی و عملکرد توربوماشین های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. این را می توان از طریق چندین رویکرد مختلف انجام داد. مهندسان می توانند با استفاده از شبیه سازی CFD، بینشی در مورد رفتار پیچیده جریان در اجزای توربوماشین به دست آورند. سپس آنها می توانند طراحی را برای دستیابی به سطوح عملکرد مطلوب تنظیم کنند.

خدمات انسیس فلوئنت در صنایع مهندسی توربوماشین

شرکت پردازشگران سیال و سازه مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent، آماده ارائه خدمات مدل سازی، شبکه بندی و شبیه سازی گسترده می باشد. خدمات شبیه سازی ما برای شبیه سازی های توربوماشین آلات به شرح زیر طبقه بندی می شوند:

• شبیه سازی انواع توربین ها (HAWT، VAWT، Kaplan، Liam و …)
• تحلیل آکوستیک و کاهش نویز دستگاه های توربوماشین
• بررسی اثر کاویتاسیون در داخل توربوماشین ها
• شبیه سازی انواع پمپ و کمپرسور
• شبیه سازی کمپرسورهای چند مرحله ای
• شبیه سازی دمنده های شعاعی
• شبیه سازی دمنده های جریان متقاطع
• شبیه سازی مزارع بادی
  …
  دو دسته را می توان برای توربوماشین ها اعمال کرد: توربین ها و پمپ ها/کمپرسورها.

کمپرسور

بهینه سازی آبشار کمپرسور

بررسی پدیده‌های جریان ثانویه در ناحیه بین گوشه و دیواره‌های جانبی کمپرسورهای محوری با کمک یک تونل باد آبشاری کمپرسور با سرعت بالا انجام می‌شود. با استفاده از رویکرد MOGA، این مطالعه با هدف بهبود کارایی یک آبشار کمپرسور انجام شده است. در حین کار بر روی این پروژه، ما در مرحله اولیه یک آبشار کمپرسور مقطعی را مدلسازی کردیم.

این مسئله به ترتیب برای سه پارامتر ورودی و سه پارامتر خروجی بهینه شده است. پارامترهای ورودی عبارتند از: سرعت ورودی، آلفا_درجه(زاویه حمله)، و گام. علاوه بر این، نیروی کشش، نیروی بالابر و درجه بتا همگی به عنوان پارامترهای خروجی در نظر گرفته می شوند.

تابع هدف باید طوری تعریف شود که نیروی درگ باید کاهش یابد تا به صفر برسد، نیروی بالابر تا رسیدن به 0.07 و زاویه بتا تا رسیدن به 12- درجه کاهش یابد.

با استفاده از نرم افزار SpaceClaim مدل سه بعدی را طراحی می کنیم.
با استفاده از نرم افزار ANSYS Meshing یک شبکه بندی از مدل ایجاد می کنیم و تعداد کل عناصر 991،872 می باشد.
ما از طراحی آزمایش (DOE) برای بهینه سازی فرآیند استفاده می کنیم.

پمپ

بسته آموزشی شبیه سازی پمپ CFD

مهندسان و دانشجویانی که علاقه مند به یادگیری در مورد شبیه سازی پمپ ها از طریق استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) هستند، می توانند از بسته آموزشی شبیه سازی پمپ CFD ارائه شده که شامل مجموعه ای ازویدئوها، آموزش ها و تمرین هایی است که به صورت تئوری و عملی به شبیه سازی پمپ با استفاده از ANSYS Fluent می پردازد، استفاده کنند.این برنامه به چندین ماژول تقسیم می شود که هر کدام به یکی از حوزه های موضوعی زیر اختصاص دارد:

•  مروری بر نرم افزار ANSYS Fluent و شبیه سازی پمپ
• روش های آماده سازی هندسه و مش بندی برای استفاده در شبیه سازی پمپ
•  شرایط مرزی برای استفاده در شبیه سازی پمپ
•  مدل سازی جریان آشفته برای استفاده در شبیه سازی پمپ
•  پس پردازش نتایج شبیه سازی پمپ

علاوه بر این، شرکت کنندگان به یک تیم پشتیبانی تخصصی دسترسی خواهند داشت که برای کمک و هدایت آنها در کل فرآیند یادگیری در آنجا خواهد بود.

علاوه بر این، بسته آموزشی شبیه سازی پمپ CFD مطالعات موردی از جمله موارد زیر را پوشش می دهد:

•  بهبود سطح عملکرد پمپ های گریز از مرکز
•  وقوع کاویتاسیون در پمپ ها و تأثیرات آن بر عملکرد
• تاثیر طراحی پروانه بر عملکرد پمپ
• پیش بینی عملکرد پمپ در انواع موقعیت های عملیاتی مختلف

توربین

مطالعه عددی میدان جریان از طریق یک آبشار توربین خطی فراصوتی در شرایط طراحی و خارج از طراحی

مساله ی کنونی شامل مدلسازی یک میدان جریان تراکم پذیر در دو بعد در حین عبور از یک آبشار توربین خطی فراصوتی است. نتایج این مطالعه با یافته‌های تجربی ارائه‌شده در مقاله با عنوان «اندازه‌گیری میدان جریان میانی برای دو آبشار توربین خطی فراصوتی در شرایط خارج از طراحی» مقایسه می‌شود. شبیه‌سازی مدل‌سازی توربولانس و فرآیندهای محاسباتی (شرایط مرزی و غیره) در این مقاله انجام شده است و مرزهای ورودی و خروجی به ترتیب به عنوان ورودی فشار و خروجی فشار مدل‌سازی شدند. علاوه بر این، شرایط مرزی دوره ای برای تقلید جریان از طریق آبشار استفاده شد.

آبشار توربین خطی فراصوتی برای موتورهای توربین گازی که نیرو ایجاد می کنند و هواپیما را به حرکت در می آورند ضروری است. چندین پارامتر، از جمله شرایط جریان، زاویه حمله، و هندسه تیغه ها، عملکرد این آبشارها را تعیین می کنند. تجزیه و تحلیل عددی را می توان برای بررسی میدان جریان تولید شده توسط یک آبشار توربین خطی فراصوتی در هر دو شرایط طراحی و خارج از طراحی انجام داد.

در تحلیل عددی، یک مدل کامپیوتری از یک آبشار توربین خطی فراصوتی ایجاد می‌شود و سپس از نرم‌افزار دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای شبیه‌سازی جریان هوا استفاده می‌کند. این کار برای نمایش دقیق جریان هوا انجام می شود. نتایج شبیه‌سازی را می‌توان برای پیش‌بینی میدان جریان، توزیع فشار و سایر جنبه‌های عملکرد آبشار استفاده کرد.

اعتبار سنجی عددی مقاله می تواند برای تایید نتایج تحلیل عددی انجام شود. این کار با مقایسه نتایج شبیه‌سازی با داده‌های تجربی به‌دست‌آمده از اندازه‌گیری‌های میدان جریان میانی روی دو آبشار توربین خطی فراصونی انجام می‌شود که تحت شرایطی که از پارامترهای طراحی آنها منحرف می‌شوند، انجام می‌شود. محققان می توانند با مقایسه یافته های شبیه سازی با داده های به دست آمده از آزمایش ها، دقت آنالیز عددی را تعیین کنند.

استفاده از یافته های تجزیه و تحلیل عددی و اعتبار سنجی مقاله، امکان بهبود عملکرد آبشارهای توربین خطی فراصوتی و بهینه سازی طراحی آنها را فراهم می کند. محققان اگر بتوانند میدان جریان و توزیع فشار را دقیقاً پیش‌بینی کنند، می‌توانند کارآمدترین شکل‌ها و زوایای تیغه‌ها را علاوه بر شرایط جریانی که بیشترین میزان تولید انرژی را ممکن می‌سازد، تعیین کنند.

توربین آبی

عملکرد توربین جریان جزر و مدی محور افقی با پیکربندی پره

نرم افزار ANSYS Fluent یک توربین آبی با محور افقی را برای پروژه فعلی مدل سازی و شبیه سازی می کند. نتایج شبیه‌سازی CFD با یافته‌های مقاله‌ای با عنوان «عملکرد توربین جریان جزر و مدی محور افقی با پیکربندی تیغه» تأیید می‌شود.

چندین عنصر وجود دارد که یکی از آنها پیکربندی پره ها است که می تواند بر عملکرد یک توربین جریان جزر و مدی محور افقی تأثیر بگذارد. چیدمان تیغه ها روی روتور به شکل، اندازه و جهت آنها اشاره دارد. پیکربندی های جایگزین پره های توربین این پتانسیل را دارد که تأثیر قابل توجهی بر پارامترهای عملکرد دستگاه مانند میزان توان تولیدی، کارایی و استحکام ساختاری آن داشته باشد.

تیغه هایی با پره های مستقیم، منحنی و پیچ خورده همگی پیکربندی های محبوب برای پره های توربین جزر و مدی محور افقی هستند. معیارهای مختلفی از جمله سرعت و جهت جریان های جزر و مدی، عمق آب و توان خروجی مطلوب، طراحی ایده آل را تعیین می کند. هر چیدمان دارای مزایا و معایب منحصر به فردی است و پیکربندی بهینه به این عوامل و سایر عوامل بستگی دارد.

عملکرد توربین جزر و مدی محور افقی علاوه بر پیکربندی پره ها می تواند تحت تأثیر چندین پارامتر باشد. این عناصر شامل اندازه و شکل روتور، مواد مورد استفاده در ساختمان توربین و طراحی ژنراتور است.

در نتیجه، عملکرد یک توربین جریان جزر و مدی محور افقی را می توان تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار داد که یکی از آنها آرایش پره ها است.

توربین بادی Darrieus: پیشنهادی برای یک مدل پیش‌بینی عملکرد جدید بر اساس CFD

در یک توربین بادی که به عنوان توربین بادی محور عمودی (VAWT) شناخته می‌شود، محور روتور اصلی در جهتی عمود بر زمین و عرضی جهت وزش باد است. در نتیجه این پیکربندی، VAWT ها برای جمع آوری انرژی باد از تمام زوایای آزیموت در دسترس هستند. توربین بادی Savonius که بر اساس تولید نیروی درگ کار می کند، توربین بادی Darrieus که بر اساس تولید بالابر کار می کند و توربین بادی نوع H، سه نوع VAWT هستند.

توربین بادی نوع H شبیه به طراحی Darrieus است. تنها تفاوت در تیغه ها است. ما سعی خواهیم کرد یک مطالعه مرتبط با عنوان “توربین بادی Darrieus: پیشنهادی برای یک مدل پیش‌بینی عملکرد جدید بر اساس CFD” را به عنوان بخشی از این پروژه آزمایش کنیم.

توربین بادی Darrieus یک توربین بادی با محور عمودی است که شامل پره‌های منحنی عمودی است. توربین بادی Darrieus در آلمان ساخته شد. هنگامی که باد در سراسر پره های یک توربین بادی می وزد، باعث می شود پره ها حول محور مرکزی بچرخند که ژنراتوری را به حرکت در می آورد که برق تولید می کند. عملکرد توربین بادی Darrieus تحت تأثیر عوامل مختلفی از جمله سرعت باد، زاویه پره و شکل پره ها قرار دارد.

یک مدل جدید پیش‌بینی عملکرد مبتنی بر دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) می‌تواند به عنوان روشی برای پیش‌بینی عملکرد یک توربین بادی Darrieus پیشنهاد شود. برای انجام این کار، یک مدل کامپیوتری از توربین باید ساخته شود و سپس از نرم افزار CFD برای شبیه سازی جریان هوا در اطراف پره ها استفاده شود. نتایج شبیه‌سازی می‌تواند برای پیش‌بینی تولید توان توربین، راندمان و سایر عوامل عملکرد استفاده شود.

اعتبار سنجی مقاله را می توان با ANSYS Fluent، یک برنامه نرم افزاری محبوب CFD، برای اعتبارسنجی مدل پیشنهادی برای پیش بینی عملکرد انجام داد. این کار با استفاده از نرم افزار قابل انجام است. برای انجام این کار، یک مدل دیجیتالی جامع از توربین بادی Darrieus باید بر روی یک کامپیوتر ساخته شود، و یک شبیه‌سازی باید اجرا شود تا مشخص شود که چگونه سرعت‌ها و پیکربندی‌های مختلف باد بر جریان هوا در اطراف پره‌ها تأثیر می‌گذارند. محققان می توانند صحت مدل پیش بینی عملکرد را با مقایسه نتایج شبیه سازی با داده های تجربی تعیین کنند. از یافته های اعتبار سنجی مقاله می توان برای بهبود مدل پیش بینی عملکرد و ساخت توربین بادی داریو استفاده کرد.

تجزیه و تحلیل عددی توربین درون لوله مبتنی بر بالابر برای پیش‌بینی بهره‌برداری از توان آبی در شبکه‌های توزیع آب منتخب برای بهینه‌سازی خطوط آبی

این مقاله با عنوان «تحلیل عددی توربین درون لوله مبتنی بر بالابر برای پیش‌بینی پتانسیل بهره‌برداری از انرژی آبی در شبکه‌های توزیع آب منتخب برای بهینه‌سازی خطوط آبی»، امکان بهره‌برداری از یک نیروگاه در داخل یک لوله را با استفاده از یک کروی مدل‌سازی و شبیه‌سازی می‌کند. توربین بر اساس بالابر است و ایرفویل های NACA در فرآیند ساخت پروفیل های هیدروفویل توربین استفاده می شود. برای دستیابی به این هدف، مدل طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) یک توربین بالابر کروی بر اساس میزان دبی حجمی بالا و پایین در برنامه ای به نام ANSYS Fluent شبیه سازی و تحلیل شده است. با محاسبه سری زمانی تغییرات دشارژ، می توان سری زمانی خروجی های توان را بدست آورد.

در سال‌های اخیر، یکی از دغدغه‌های اصلی جامعه جهانی اهمیت حفظ آب و انرژی بوده است و پیش‌بینی می‌شود که به زودی این مسائل اهمیت بیشتری پیدا کند. در این زمینه راهکارهای فنی زیادی برای جایگزینی شیرهای فشار شکن با ژنراتورهای برق برای تنظیم ایمن فشار شبکه های توزیع آب و تولید برق ارائه شده است. استفاده از راندمان انرژی هیدرولیک آب، که ممکن است مستقیماً به برق تبدیل شود، یکی از راه‌های بهبود بهره‌وری انرژی سیستم‌های تحویل آب است. این روش باعث صرفه جویی در هزینه نیز می شود. این روش از انرژی پاک استفاده می کند که اغلب در منابع آب نادیده گرفته می شود. در نتیجه، وابستگی انرژی به شبکه برق کاهش می یابد، همانطور که هزینه های عملیاتی سیستم کاهش می یابد.

استفاده از توربین های درون لوله مبتنی بر بالابر یک پیشرفت جدید هیجان انگیز در برداشت نیروگاه های آبی در شبکه های توزیع آب است. این توربین ها برای تولید نیرو از فشار آب جاری طراحی شده اند و می توانند در خطوط لوله آب قرار بگیرند. چندین عنصر می توانند بر عملکرد توربین های داخل لوله تاثیر بگذارند. این جنبه ها شامل طراحی توربین، سرعت جریان آب و فشار آب است.

تجزیه و تحلیل عددی را می توان برای پیش بینی قابلیت برداشت نیروگاه آبی توربین های درون لوله در شبکه های توزیع آب خاص برای بهینه سازی خط آب انجام داد. برای انجام این کار، یک مدل کامپیوتری از توربین درون لوله باید ساخته شود و سپس از نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای شبیه سازی جریان آب از طریق توربین استفاده شود. نتایج شبیه‌سازی می‌تواند برای پیش‌بینی تولید توان توربین، راندمان و سایر عوامل عملکرد استفاده شود.

اعتبار سنجی مقاله را می توان با ANSYS Fluent، یک برنامه نرم افزاری محبوب CFD، برای اعتبارسنجی تحلیل عددی انجام داد. این کار با استفاده از نرم افزار قابل انجام است. ایجاد یک مدل دیجیتالی جامع از توربین داخل لوله و شبیه سازی جریان آب از طریق توربین با نرخ های جریان مختلف و استفاده از انواع مختلف توربین هر دو از مراحل مورد نیاز در این فرآیند هستند. محققان می توانند دقت آنالیز عددی را با مقایسه نتایج شبیه سازی با داده های تجربی تعیین کنند.

محققان می‌توانند پربازده‌ترین مناطق را برای نصب این توربین‌ها بیابند و میزان انرژی تولید شده از شبکه توزیع آب را به حداکثر برسانند، در صورتی که بتوانند به طور دقیق قدرت آبی را که توانایی این توربین‌ها را مهار می‌کند، پیش‌بینی کنند.

توربین بادی

تونل باد و مطالعه عددی یک توربین بادی با محور عمودی کوچک

این شبیه‌سازی با کمک یک مقاله مرجع با عنوان «تونل باد و مطالعه عددی یک توربین بادی با محور عمودی کوچک» انجام شده و یافته های آن با توجه به یافته های ارائه شده در مقاله تحلیل و ارزیابی می شود.

توربین های بادی محور عمودی (VAWT) در مقیاس کوچک، فن آوری جدیدی برای مهار نیروی باد بوده که به دلیل ساخت نوآورانه‌شان، قادر هستند نیروی باد را از هر جهتی برداشت کنند و برای استفاده در مناطق شهری و سایر مناطق پرجمعیت مناسب هستند. با این حال، عملکرد VAWT ها می تواند تحت تأثیر عناصر مختلف از جمله شکل تیغه ها، زاویه تیغه ها و سرعت باد قرار گیرد.

آزمایش در یک تونل باد و تجزیه و تحلیل عددی دو روشی هستند که می توانند برای بررسی عملکرد یک VAWT کوچک استفاده شوند. برای آزمایش یک توربین بادی در یک تونل باد، باید یک مدل فیزیکی از توربین ساخته شود تا عملکرد آن در سرعت‌ها و جهت‌های مختلف باد ارزیابی شود. این می تواند اطلاعات مفیدی در مورد توان خروجی توربین، راندمان و سایر جنبه های عملکرد ارائه دهد.

در تحلیل عددی، یک مدل کامپیوتری از VAWT ساخته می‌شود و سپس از نرم‌افزار دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای شبیه‌سازی جریان هوا در اطراف پره‌ها استفاده می‌شود. نتایج شبیه‌سازی می‌تواند برای پیش‌بینی تولید توان توربین، راندمان و سایر عوامل عملکرد استفاده شود.

اعتبار سنجی مقاله را می توان با ANSYS Fluent، انجام داد. برای انجام این کار، یک مدل کامپیوتری جامع از VAWT باید ساخته شود تا بتوان شبیه‌سازی‌ها را برای تعیین اینکه چگونه سرعت‌های باد مختلف و تنظیمات تیغه‌ها بر جریان هوا در اطراف تیغه‌ها تأثیر می‌گذارد، اجرا کرد. محققان می توانند صحت آنالیز عددی را با مقایسه نتایج شبیه سازی با داده های تجربی بدست آمده از آزمایش انجام شده در تونل های باد ارزیابی کنند.

یافته های آزمایش انجام شده در تونل باد و تجزیه و تحلیل عددی می تواند برای بهبود عملکرد VAWT و بهینه سازی طراحی آن مورد استفاده قرار گیرد. محققان می‌توانند کارآمدترین شکل‌ها و زوایای پره‌ها و همچنین سرعت باد ایده‌آل را برای تولید حداکثر انرژی با برآورد مناسب توان خروجی و کارایی توربین تعیین کنند. این اجازه می دهد تا بیشترین مقدار انرژی تولید شود.

مقایسه HAWT و VAWT (مش حرکت و MRF)

در این پروژه، جریان سیال را هنگام عبور از دو شکل مختلف از توربین‌های بادی شبیه‌سازی می‌کنیم. این توربین‌های بادی دارای توربین‌های محور عمودی (VAWT) و توربین‌های محور افقی (HAWT) هستند. هنگام مدل‌سازی این نوع توربین‌های بادی باید رویکردهای مدل‌سازی متفاوتی در نظر گرفته شود زیرا حرکت چرخشی پره‌ها با سیستم‌های مختصات جهانی متفاوت خواهد بود.

قابلیت دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای توصیف جریان سیال هنگام عبور از داخل توربوماشین ها یکی از هیجان انگیزترین کاربردهای CFD برای مهندسان است. توربوماشین ها ماشین هایی هستند که انرژی جنبشی جریان سیال را می چرخانند و به حرکت چرخشی ماشین های دیگر مانند توربین ها یا برعکس در مورد پمپ ها تبدیل می کنند.

دوره آموزشی توربوماشین با عرضه این محصول به قسمت پنجم و پایانی خود رسیده است. همانطور که قبلا گفته شد، VAWT حول محوری عمود بر جهت جریان می چرخد. در مقابل، HAWT توربوماشین هایی هستند که حول محوری موازی با جهت جریان می چرخند.

به بیان دیگر، دقیق‌ترین راه برای مدل‌سازی حرکت چرخشی یک VAWT، استفاده از حرکت مش و اطمینان از اینکه ناحیه چرخشی و ناحیه ساکن با یک مرز واسط مرتبط هستند، خواهد بود. علاوه بر این، شبیه‌سازی باید به‌طور موقت انجام شود تا حرکت مش در حالت چرخشی محاسبه شود.

با این حال، کاربر باید از تکنیک حرکت قاب برای مدل سازی HAWT ها و اختصاص سرعت چرخش مورد نظر به پره های توربین استفاده کند. آنها نیازی به مطالعه زمانی ثابت یا غیر ثابت ندارند. با این حال، چنین استراتژی منجر به حذف برخی رویدادهای وابسته به زمان می شود که این اشکال روش است.

همچنین توضیح داده می‌شود که چگونه کاربر می‌تواند گزارش‌های مختلفی از قبیل بالابر، کشیدن و ممان را برای پره‌های هر توربین تعریف کند و یافته‌ها و داده‌های مختلفی را در مورد حرکت توربوماشین‌ها به دست آورد که هر دو در هنگام ایجاد چنین ساختارهایی از ارزش بالایی برخوردار خواهند بود. . علاوه بر این، همچنین توضیح داده خواهد شد که چگونه یک فرد می تواند چنین سازه هایی را طراحی کند.

شما نحوه شبیه سازی حرکت چرخشی توربوماشین ها را با به کارگیری دو مدل از شناخته شده ترین مدل های حرکت مش و حرکت قاب با دنبال کردن مراحل این آموزش فرا خواهید گرفت. حرکت مش برای ایجاد یک مدل دقیق از توربوماشین ها با محور چرخشی که عمود بر جهت جریان (VAWT) نباشد، توصیه می شود. با این حال، تکنیک حرکت قاب برای شبیه‌سازی ساختارهای دوار مانند HAWT مورد نیاز است.

توربین بادی پره مارپیچی، 5 سرعت چرخش متفاوت

مسئله فعلی جریان هوای روی یک نسخه کوچک شده از یک VAWT با تیغه های مارپیچ می رود شبیه سازی می کند.

یکی از این اشکال انرژی، انرژی باد، چندین گزینه را در اختیار محققان قرار داده است. در مقایسه با نرخ رشد سایر منابع تجدیدپذیر، این انرژی اکنون با سریعترین سرعت در حال گسترش است. توربین های بادی تجهیزاتی هستند که در فرآیند تولید انرژی از باد مورد استفاده قرار می گیرند.

انرژی جنبشی جریان باد با استفاده از یک دستگاه توربین بادی به انرژی دورانی محور روتور تبدیل می شود.این مطالعه TSR توربین‌های پره (نسبت سرعت نوک) را در سرعت‌های چرخشی مختلف بررسی می‌کند.

درا ین پروژه با استفاده از برنامه Design Modeler، مدل سه بعدی را ایجاد کرده و توسط ANSYS Meshing آن را شبکه بندی می کنیم و تعداد کل المان های چند وجهی به 507،457 می رسد. شبیه سازی بصورت گذرا انجام شده و از تکنیک Mesh Motion برای تعریف حرکت چرخشی در ناحیه گسسته اطراف تیغه ها استفاده می شود.

شرکت پردازشگزان مهر پروژه های شبیه سازی برون سپاری متعددی را برای کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی مهندسی توربوماشین انجام داده و با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده پیکربندی های شبیه سازی می باشد.

پروژه های مهندسی توربوماشین

مهندسانی که روی توربوماشین کار می کنند باید اثرات عواملی مانند کاویتاسیون، فرسایش، آکوستیک و ارتعاش را در نظر بگیرند که همگی می توانند تأثیر قابل توجهی بر عملکرد و قابلیت اطمینان توربوماشین داشته باشند.در ادامه به معرفی چند پروژه در این زمینه که توسط تیم ما اجرا شده است میپردازیم:

آکوستیک

آکوستیک در فن ورودی توربوجت

این پروژه جریان هوا در داخل یک توربوجت و تجزیه و تحلیل موج صوتی و همچنین صدای تولید شده

در داخل این توربوجت را ارائه داده و از مدل آکوستیک برای انجام تحقیقات بر روی صدا یا

امواج صوتی استفاده می کند.موارد زیر در این پروژه در نظر گرفته شده است:

• از نرم افزار ANSYS Fluent برای شبیه سازی عددی پدیده های صوتی در فن ورودی توربوجت استفاده می شود.
• با استفاده از برنامه Design Modeler، مدل سه بعدی ایجاد شده است.
• پس از شبکه بندی مدل از طریق نرم افزار ANSYS Meshing، مشاهده می کنیم که تعداد کل المان ها 3،723،166 است.
• هنگام تجزیه و تحلیل جریان تراکم پذیر، از حل کننده ای استفاده می کنیم که مبتنی بر چگالی است.
• برای توصیف حرکت چرخشی، از تکنیک MRF استفاده می کنیم.
• برای تعریف مدل Acoustic از مدل Broadband Noise Sources استفاده می کنیم.

FW-H و مقایسه نویز پهن باند در HAWT

در این آموزش به بررسی تفاوت بین دو مدل برجسته برای پیش بینی آکوستیک در سیالات از جمله مدل Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) و مدل نویز Broadband می پردازیم تا نویز و تولید صدا در اثر حرکت چرخشی یک محور افقی را بررسی کنیم. این کار برای بررسی نویز و تولید صدا ناشی از یک توربین بادی محور افقی (HAWT) انجام خواهد شد.

با توجه به قابلیت CFD برای محاسبه فشار و کشش های ایجاد شده توسط محیطی که بر روی ساختارهای جامد مختلف جریان دارد، یکی از هیجان انگیزترین کاربردهای CFD برای مهندسان، توانایی آن در پیش بینی امواج صوتی و صداها است.

به عنوان مثال، یک شبیه‌سازی CFD می‌تواند برای تخمین میزان سر و صدای تولید شده توسط ساختمان‌های عظیم مانند توربین‌های بادی یا حتی جزئی‌ترین اختلال در هوا که حرکت مگس ایجاد می‌کند، استفاده شود. دوره آموزشی آکوستیک با عرضه این محصول به پنجمین دوره خود رسیده است. هنگامی که مدل FW-H فعال است، کاربر باید به صراحت منبع و گیرنده امواج صوتی را توصیف کند. این مربوط به مدل سازی تولید نویز است که توربین های بادی مسئول آن هستند. اگرچه کاربر می تواند هنگام استفاده از مدل FW-H هر منبع یا گیرنده ای را در حوزه محاسباتی تعریف کند، محدودیت مدل این است که کاربر فقط می تواند انواع خاصی از نتایج را استخراج کند، مانند تجزیه و تحلیل FFT از امواج صوتی تشکیل شده در دامنه.

برخلاف مدل FW-H، که در آن کاربر ملزم به شناسایی صریح گیرنده ها است، مدل نویز پهن باند اجازه می دهد تا هر نقطه در داخل دامنه به عنوان یک گیرنده عمل کند. در نتیجه، این مدل نسبت به مدل FW-H مزیت دارد، زیرا می‌تواند طیف گسترده‌ای از خروجی‌ها و داده‌های گرافیکی را استخراج کند، از تأثیر برش بر تشکیل امواج صوتی تا سطح فشار صوت در هر موقعیت معین.

با دنبال کردن مراحل ذکر شده در این آموزش، نحوه استفاده از دو مدل از شناخته شده‌ترین مدل‌ها را برای پیش‌بینی تولید امواج صوتی در یک حوزه محاسباتی حاوی یک توربین بادی با محور افقی یاد خواهید گرفت. امواج صوتی قوی در نتیجه حرکت چرخشی HAWT و همچنین جریان هوایی که از روی چنین ساختاری می گذرد تولید می شود. این امواج صوتی به طور بالقوه می تواند برای شنوایی انسان در فاصله نزدیک مضر باشد.

کاویتاسیون

کاویتاسیون در یک توربین با جریان متقاطع

در این پروژه که با استفاده از رویکرد شبیه سازی عددی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) ارائه و توسط نرم افزار Ansys Fluent انجام شده است، کاویتاسیون در یک توربین جریان متقاطع مورد بررسی قرار گرفته است. در اکثر توربین ها، جریان سیال محوری و یا شعاعی است. با این حال، جریان با این توربین عرضی است. این نوع خاص از توربین به آرامی می چرخد و در شرایطی که نیاز به هد پایین و جریان زیاد دارد استفاده می شود.

این پروژه در سه مرحله مجزا تکمیل شده است. در مرحله ی اول، ایرفویل وجود ندارد، اما در مرحله ی دوم، یک ایرفویل در ورودی وجود دارد تا از ایجاد کاویتاسیون جلوگیری کند. در مرحله ی سوم، زاویه ایرفویل در جهت چرخش در جهت عقربه های ساعت نسبت به مرحله ی دوم 15 درجه افزایش می یابد.

مرحله 1

پدیده کاویتاسیون پدیده ای است که در خودروهای توربو و در پره هایی که در حال چرخش هستند رخ می دهد. در نتیجه این فرآیند، خوردگی روی سطوح لبه ها ایجاد می شود که بسیار مضر است. در چارچوب این شبیه‌سازی، بر اساس کانتور فشار، مشهود است که در قسمت مناسب تیغه‌ها. در نتیجه فشار کم و کمتر از فشار بخار در آن دما، پدیده کاویتاسیون رخ می دهد و انتقال فاز انجام می شود. به بیان دیگر، مکش ایجاد شده در اثر حرکت لبه ها از پایین به بالای تیغه، عامل افت فشار در سمت راست تیغه است.

مرحله 2

بر اساس اطلاعات مرحله ی اول، یک ایرفویل در ورودی توربین برای جلوگیری از کاویتاسیون نصب شده است. این سبک طراحی می تواند از کاویتاسیون جلوگیری کند زیرا روی ایرفویل شکل می گیرد که می تواند یک عملکرد محافظتی داشته باشد.

مرحله 3

در مورد قبلی یک ایرفویل در ورودی توربین برای جلوگیری از کاویتاسیون نصب شد. در مقایسه با آخرین مرحله ، زاویه ایرفویل 15 درجه در جهت عقربه های ساعت جابجا شد. هدف این مرحله بررسی تأثیری است که تغییر زاویه ایرفویل بر شدت اثر دارد.

می توان ادعا کرد که چرخش ساعتگرد ایرفویل برای ما مفید بوده است زیرا خطوطی که از کسر حجمی فاز دوم گرفته شده است نشان می دهد که میزان کاویتاسیون کمی کمتر از مرحله ی قبلی است.

کاویتاسیون پروانه قایق

این آموزش یک راهنمای عمیق و گام به گام است. دانشجویان و متخصصان رشته مهندسی دریا که علاقه مند به یادگیری پدیده کاویتاسیون در پروانه های قایق هستند و مایلند این کار را با کمک ANSYS Fluent انجام دهند، مخاطبین این آموزش هستند.

این آموزش شامل مجموعه‌ای از ویدئوها، آموزش‌ها و تمرین‌هایی است که به شبیه‌سازی کاویتاسیون در پروانه‌های قایق با استفاده از ANSYS Fluent می‌پردازد. مطالب در قالب یک آموزش ارائه شده و به چندین بخش مختلف تقسیم شده است که هر کدام بر روی یکی از موضوعات زیر تمرکز دارند:

• مقدمه ANSYS برای کاویتاسیون در پروانه های قایق
• مقدمه ای بر کاویتاسیون
• قابلیت های نرم افزار فلوئنت برای شبیه سازی کاویتاسیون
• رویکردهای شبکه بندی برای مدل سازی پروانه های قایق
• شرایط مرزی برای شبیه سازی کاویتاسیون پروانه های قایق
• پس پردازش نتایج شبیه سازی کاویتاسیون
• مدل‌سازی توربولانس برای شبیه‌سازی کاویتاسیون پروانه‌های قایق
• پس پردازش نتایج شبیه سازی کاویتاسیون

آموزش شبیه سازی CFD کاویتاسیون پروانه قایق همچنین شامل مجموعه ای از مطالعات موردی است که استفاده از شبیه سازی کاویتاسیون در ملخ های قایق را با استفاده از ANSYS Fluent نشان می دهد. این مطالعات موردی را می‌توانید در بخش «مطالعات موردی» آموزش ببینید. این مطالعات موردی موضوعات مختلفی از جمله موارد زیر را مورد بحث قرار می دهد:

– آغاز کاویتاسیون در پروانه های قایق و چگونگی توسعه آن در طول زمان

– تأثیر طراحی پروانه قایق بر پدیده کاویتاسیون

– توانایی پیش‌بینی چگونگی عملکرد پروانه‌های قایق در صورت وجود کاویتاسیون

– کاهش کاویتاسیون از طریق بهینه سازی طراحی پروانه های قایق

جریان کاویتاسیون از طریق یک القاء محوری

این شبیه سازی از برنامه ANSYS Fluent برای بررسی جریان کاویتاسیون از طریق القای محوری استفاده می کند. یکی از اتفاقاتی که به عنوان کاویتاسیون شناخته می شود، زمانی رخ می دهد که حباب های بخار در ناحیه ای از سیال که فشار آن کمتر از سایر قسمت های سیال است، ایجاد می شود و تنها دلیل این پدیده و ایجاد حباب های بخار این است که فشار مایع به فشار بخار می رسد.

از سوی دیگر، این پدیده توسط عوامل و شرایط مختلف دیگری به وجود می آید. به عنوان مثال سرعت یکی از ویژگی های ارزشمندی است که می توان در تولید این پدیده از آن استفاده کرد. فرآیندی که به عنوان کاویتاسیون شناخته می شود می تواند به مسائل مختلفی از جمله خوردگی کمک کند. پمپ آب در تمام طول خود علائم واضحی از خوردگی را نشان می دهد. این پدیده را می توان بر اساس صدایی که تولید می کند و ارتعاش مکانیکی که ایجاد می کند شناسایی کرد. برای کاهش احتمال این اتفاق می توان رویکردهای بسیاری را در پیش گرفت. یکی از ساده‌ترین روش‌ها کوتاه کردن فاصله بین پمپ و مخزن ذخیره برای افزایش فشار ورودی پمپ است.

یک استراتژی دیگر شامل به حداقل رساندن افت فشار و جریان آشفته است. امروزه در نتیجه رشد این بخش، تقاضا برای پمپ هایی که هم فشرده تر هستند و هم با سرعت بیشتری کار می کنند، افزایش یافته است. در نتیجه، افزایش عملکرد مکش پروانه های پمپ ضروری است.

القاگرها اجزای حیاتی در جلوی پروانه اولیه پمپ هستند تا عملکرد مکش پمپ را افزایش دهند و در عین حال سرعت پروانه را حفظ کنند. عملکرد مکش پمپ را می توان به لطف القا کننده بهبود بخشید، که می تواند فشار اعمال شده به پروانه های پمپ را افزایش دهد.

کاویتاسیون پدیده ای است که در طراحی پمپ ها باید مورد توجه قرار گیرد زیرا یکی از اساسی ترین پدیده ها می باشد. ایندکتورها به دلایل مختلفی در پمپ ها استفاده می شوند، اما یکی از ضروری ترین آنها کاهش کاویتاسیون است.

کاویتاسیون در پمپ جریان شعاعی

این ابزار با استفاده از ANSYS Fluent به عنوان پلت فرم خود، پدیده کاویتاسیون را در یک پمپ جریان شعاعی شبیه سازی می کند. این پمپ یک پمپ گریز از مرکز است که به پمپ جریان شعاعی نیز معروف است. به همین دلیل سیال مورد نظر عمود بر محور مرکزی وارد پمپ شده و در جهت شعاعی به سمت مسیر ورودی از پمپ خارج می شود. اینها در بین پمپ ها رایج ترین هستند و معمولاً برای ایجاد فشارهای بالا در حالی که فقط مقدار کمی سیال را در یک زمان جابجا می کنند استفاده می شوند.

هنگامی که فشار یک مایع کمتر از فشار بخار آن مایع می شود در حالی که دما ثابت می ماند، پدیده ای به نام کاویتاسیون رخ می دهد. در این حالت سیال از مایع به بخار تغییر حالت می دهد که منجر به تشکیل حباب می شود. کاویتاسیون نامی است که به این فرآیند داده شده است.

حال، اگر این حباب ها به نواحی پرفشار پمپ منتقل شوند، به دلیل افزایش فشار پاره می شوند – ترکیدن حباب باعث ایجاد خلاء در ناحیه اطراف می شود. در نتیجه مستقیم این خلاء، مایع در ناحیه اطراف حباب با سرعت و فشار بسیار بالایی در جهت فضا حرکت می کند.

لرزش

برهم کنش سیال-ساختار بر روی توربین HAWT

هدف این مطالعه بررسی برهمکنش سیال-ساختار است که روی یک توربین HAWT رخ می‌دهد. در این شبیه سازی، توربین با جریانی با سرعت 25 متر بر ثانیه گرم می شود در حالی که توربین با سرعت 12 دور در دقیقه می چرخد. روش FSI در یک جهت یک طرفه انجام شد که در طی آن تاثیر سیال بر ساختار را بررسی کردیم. اعوجاج کلی حدود 0.2 متر در انتهای تیغه ها بود. علاوه بر این، هر دو تنش خمشی و کرنش بررسی و ارزیابی شده‌اند.

انسیس فلوئنت یک ارائه دهنده قابل توجه خدمات و آموزش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است و یکی از محصولاتی که به مشتریان خود ارائه می دهد یک شبیه سازی یادگیری به نام تعامل ساختار سیال (FSI) بر روی توربین بادی محور افقی (HAWT) CFD است. این محصول آموزشی برای دانشجویان و متخصصان مهندسی توربوماشین  علاقه مند به یادگیری در مورد شبیه سازی FSI توربین های HAWT با استفاده از ANSYS Fluent توسعه یافته است. در واقع مخاطبان این محصول هم دانشجویان و هم حرفه ای ها را شامل می شوند.

محققان می توانند تئوری و کاربرد عملی شبیه سازی FSI توربین های HAWT را با استفاده از ANSYS Fluent با شرکت در تمرین ها و آموزش های هر ماژول مطالعه کنند. علاوه بر این، شرکت کنندگان به یک تیم پشتیبانی تخصصی در دسترس برای ارائه کمک و راهنمایی در هر نقطه از تحصیل خود دسترسی دارند. محصول آموزشی همچنین دارای مجموعه ای از مطالعات موردی است که نشان می دهد چگونه ANSYS Fluent می تواند شبیه سازی FSI را بر روی توربین های HAWT انجام دهد. این مطالعات موردی موضوعات مختلفی از جمله موارد زیر را مورد بحث قرار می دهد:

– عملکرد آیرودینامیکی توربین های HAWT در شرایط مختلف باد – تغییر شکل تیغه ها و ارتعاش در توربین های HAWT

– یکپارچگی ساختاری توربین های HAWT در مواجهه با بارهای باد بسیار زیاد

– کاربرد مدل سازی FSI در بهینه سازی طراحی توربین HAWT

روش FSI برای توربین آبی

در این مطالعه، شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی ناپایدار (CFD) با استفاده از برنامه ANSYS Fluent برای تحلیل جریان آب در اطراف یک توربین آب عمودی انجام شد. فرض بر این است که عبور سیال از پره های توربین، نیرویی بر بدنه توربین وارد می کند که به نوبه خود باعث تغییر شکل یا تغییر اندازه بدنه پره ها در نتیجه نیرو می شود. این وضعیتی است که در حال حاضر با آن دست و پنجه نرم می کنیم. در نتیجه، مسئله کنونی دو محلول مختلف مایع و جامد را به طور همزمان می طلبد. از این رو، رویکرد FSI و جفت بین جریان سیال و سازه گذرا برای حل این مشکل استفاده می‌شود.

شرکت های صنعتی توربوماشین
بسیاری از شرکت‌های صنعتی، طراحی، تولید و نگهداری توربوماشین ها را در حوزه تخصص خود قرار داده‌اند. در زیر نمونه هایی از شرکت های صنعتی متخصص در زمینه توربوماشین آورده شده است:

– General Electric (GE): جنرال الکتریک یک شرکت جهانی است که محصولات مختلفی مانند توربوماشین برای تولید برق، نفت و گاز و صنایع هوایی تولید می کند.

– Siemens: زیمنس یک تجارت فناوری چندملیتی است که کالاهای مختلفی مانند ماشین آلات توربو را برای استفاده در تولید برق، نفت و گاز و صنایع دریایی تولید می کند.

– Mitsubishi Heavy Industries (MHI):  یک تجارت مهندسی چند ملیتی ژاپنی است که کالاهای مختلفی تولید می کند. این محصولات شامل توربوماشین برای تولید برق، نفت و گاز و صنایع هوافضا است.

– Baker Hughes: بیکر هیوز یک شرکت خدمات صنعتی آمریکایی است که با ارائه کالاها و خدمات مختلف، از جمله تجهیزات توربوماشین و خدمات تعمیر و نگهداری، به بخش نفت و گاز خدمت می کند. دفتر مرکزی بیکر هیوز در هیوستون، تگزاس قرار دارد.

– Sulzer: سولزر یک شرکت سوئیسی است که در زمینه مهندسی صنایع و تولید تخصص دارد. برای صنایع مختلف از جمله آب، نفت و گاز و تولید برق، کالاهای مختلفی مانند توربوماشین آلات تولید می کنند.

_Kawasaki Heavy Industries (KHI) : یک تجارت مهندسی چندملیتی ژاپنی است که طیف گسترده ای از محصولات را تولید می کند که برخی از آنها شامل ماشین آلات توربو برای استفاده در صنایع تولید برق، دریایی و هوافضا می شود.

– MAN Energy Solutions : یک شرکت مهندسی بین المللی آلمانی است که محصولات مختلفی مانند Turbomachinery برای تولید برق، نفت و گاز و صنایع دریایی تولید می کند. دفتر مرکزی MAN Energy Solutions در مونیخ، آلمان قرار دارد.

این کسب‌وکارها و بسیاری دیگر از طریق مفهوم‌سازی، ساخت و نگهداری ماشین‌آلات مورد استفاده در صنایع مختلف، نقش اساسی در صنعت توربوماشین‌سازی دارند.

تجربه صنعتی انسیس فلوئنت در زمینه توربوماشین

در ادامه نمونه‌ای از پروژه های صنعتی توربوماشینری است که اخیرا توسط تیم ما با همکاری شرکت‌های مرتبط شبیه‌سازی و تحلیل شده است.

توربین چرخ پلتون
شکلی از توربین ضربه ای که به عنوان توربین چرخ پلتون شناخته می شود، معمولاً در تأسیسات برق آبی استفاده می شود که در آن برای تولید انرژی استفاده می شود. لستر آلن پلتون آن را خلق کرد. از این رو نام او به دستگاه داده شد. ژنراتور شامل مجموعه ای از سطل یا فنجان است که به صورت دایره ای در اطراف لبه چرخ قرار گرفته اند. آب روی فنجان ها ریخته می شود که باعث چرخش چرخ می شود. این حرکت به نوبه خود یک ژنراتور را به حرکت در می آورد که منجر به تولید نیرو می شود.

برای بهبود کارایی طراحی و عملکرد توربین های چرخ پلتون، مطالعات عددی انجام می شود و شبیه‌سازی‌ها با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) می‌توانند جریان آب را از طریق توربین مدل‌سازی کنند و عملکرد پیکربندی‌های مختلف طراحی را تخمین بزنند. این را می توان برای بهبود بازده توربین انجام داد. این شبیه‌سازی‌ها همچنین می‌توانند برای مکان‌یابی مناطق دارای تنش یا تلاطم بیش از حد که ممکن است در نهایت منجر به شکست اجزای مکانیکی شود، استفاده شوند.

توربین های چرخ پلتون اغلب در محیط های صنعتی که نیاز به منبع برق قابل اعتماد و کافی دارند استفاده می شوند. آنها به ویژه برای استفاده در مکان های دورافتاده یا کوهستانی با منبع آب آماده و نیاز به تولید برق غیرمتمرکز مناسب هستند. این به این دلیل است که این مناطق معمولاً هر دوی این شرایط را دارند. یک نیروگاه برق آبی ممکن است از توربین های چرخ پلتون با انواع دیگر توربین ها مانند توربین های فرانسیس برای دستیابی به بالاترین اثربخشی عملیاتی استفاده کند. در نتیجه، توربین های چرخ پلتون برای تولید نیروی برق آبی ضروری هستند و به طور گسترده در تنظیمات مختلف صنعتی استفاده می شوند. طراحی و عملکرد این توربین ها از طریق مطالعات محاسباتی بهینه شده است و به ویژه برای استفاده در مکان های جدا شده جغرافیایی یا کوهستانی مناسب هستند.

در این مقاله نوع شناخته شده توربین به نام ژنراتور ضربه مورد بحث قرار می گیرد. توربین پلتون تنها توربین هیدرولیک ضربه ای است که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرد. قانون دوم نیوتن بیان می کند که تولید انرژی توسط این توربین نیاز به استفاده از یک جت سیال دارد. رانر چرخانده می شود زیرا این توربین توسط یک نازل آب تحت فشار مماس با سطل متصل به رانر برخورد می کند.

از آنجا که هر سطل بخشی از یک جفت است، نیرو متعادل است و تکانه به آرامی و به طور موثر منتقل می شود. طیف وسیعی از اندازه های موجود برای گلوله ها وجود دارد. اندازه‌های کوچک‌تر برای تولید انرژی در مکان‌های دورتر استفاده می‌شود، در حالی که اندازه‌های بزرگ‌تر در ساخت سدها استفاده می‌شود، زیرا این توربین‌ها به‌صراحت برای سرهای بزرگ‌تر ساخته شده‌اند. نرم افزار ANSYS Fluent برای مدل سازی یک توربین پلتون مینیاتوری برای این پروژه استفاده می شود. این توربین دارای قطر 300 میلی متر و 15 سطل است. علاوه بر آن، یکی از اهداف این مطالعه تعیین میزان گشتاور تولید شده توسط این توربین است.

تیم حرفه ای انسیس فلوئنت  پروژه‌های شبیه‌سازی CFD متعددی را برای شرکت‌های صنعتی و تحقیقات در برنامه‌های مهندسی توربوماشینری انجام داده و با چندین سال تجربه در شبیه سازی مشکلات مختلف در زمینه های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent، آماده ارائه خدمات گسترده شبیه سازی، آموزش و مشاوره CFD می باشد.

شما می توانید محصولات آموزشی را در دسته شبیه سازی CFD مهندسی توربوماشین در Training Shop بیابید. همچنین می توانید از بسته های آموزشی مهندسی توربوماشین برای کاربران مبتدی، متوسط، پیشرفته و حرفه ای ANSYS Fluent بهره مند شوید. همچنین تیم ما جامع ترین دوره آموزشی مهندسی توربوماشین را برای تمامی کاربران ANSYS Fluent از مبتدی تا متخصص ارائه می دهد.

همچنین شما می توانید شبیه‌سازی‌های CFD  برای هر طرح انتزاعی یا مفهومی که در ذهن دارید را به  ما بسپارید تا آنها را به واقعیت تبدیل کنید. بعلاوه شما می توانید از مشاوره تخصصی ما به صورت رایگان بهره مند شوید و سپس پروژه CFD صنعتی و دانشگاهی خود را برون سپاری کنید تا شبیه سازی و آموزش داده شود.

با برون سپاری پروژه خود به تیم انسیس فلوئنت به عنوان مشاور شبیه سازی CFD، نه تنها فایل های منابع پروژه مرتبط (هندسه، مش، پرونده و داده، …) را دریافت خواهید کرد، بلکه یک فیلم آموزشی گسترده نیز در اختیار شما قرار خواهد گرفت که نشان می دهد چگونه می توانید در نرم افزار ANSYS Fluent، هندسه، شبکه و تنظیمات مورد نیاز (پیش پردازش، پردازش و پس پردازش) را تعریف کنید. علاوه بر این، پشتیبانی پسا فنی برای روشن شدن مسائل و ابهامات موجود است.