نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی جریان هوا درون کمپرسور جریان محوری

مقدمه­ ای بر کمپرسورها

کمپرسور تجهیزی مکانیکی مخصوص متراکم ساختن جریان گازی می­باشد. با توجه به تراکم ­پذیری گازها، کمپرسورها با متراکم کردن جریان گازی موجب افزایش فشار در جریان گازی و درنتیجه افزایش دمای آن می­شوند. بنابراین، کمپرسورها با فشرده­ سازی و ایجاد فشار درون گاز موجب حرکت گاز در مسیر خود می­شود. کمپرسورهای گازی دارای کاربردهایی مانند انتقال گاز درون لوله­ ها، انتقال حرارت در سیستم­ های تبرید، فشرده ­سازی هوای ورودی به توربین­ های گاز، کابین هواپیمای تحت فشار و ….. می­باشد. کمپرسورهای گازی به انواع مختلفی تقسیم می­شوند که شامل کمپرسورهای گریز از مرکز (centrifugal)، کمپرسورهای جریان مختلط (mixed-flow)، کمپرسورهای جریان محوری (axial-flow)، کمپرسورهای مارپیج (scroll)، کمپرسورهای دیافراگمی (diaphragm) و کمپرسورهای رفت و برگشتی (reciprocating) می­باشد. کمپرسور جریان محوری از نوعی تیغه­ ی چرخان به شکل فن برای فشرده ­سازی جریان گاز استفاده می­کند. ساختمان این نوع کمپرسورها شامل چند ردیف پره شامل دو نوع پره­ی ثابت (استاتوری) روی دیواره­ ی داخلی محفظه­ ی کمپرسور و پره­ی چرخان (روتوری) بر روی شفت دوار مرکزی کمپرسور می­باشد؛ به طوری که زاویه­ ی قرارگیری تیغه­ های ثابت و حرکت چرخشی تیغه­ های چرخان و همچنین کاهش سطح مقطع مورد نیاز برای جریان هوا در راستای محور کمپرسور موجب افزایش فشار در جریان هوا می­شود. شکل 1 نمایی از یک کمپرسور جریان محوری را نشان می­ دهد.

شکل 1 : نمایی از ساختمان کمپرسور جریان محوری

گام 1) تعریف مسأله

مسأله­ ی حاضر به شبیه­ سازی جریان هوا درون یک کمپرسور نوع جریان محوری پرداخته است. مدل حاضر شامل یک ردیف پره­ های مخصوص کمپرسور جریان محوری متصل به محور مرکزی درون یک ناحیه­ ی استوان ه­ای شکل می­باشد. برای ساده ­سازی مدل شبیه ­سازی، فقط یک ردیف پره­های چرخان بر روی روتور محوری کمپرسور ترسیم شده است. تیغه­ های روی روتور کمپرسور با سرعت دورانی 14043 دور بر دقیقه حول محور مرکزی خود می­چرخند. لذا برای شبیه ­سازی مدل حاضر، از تکنیک frame motion با سرعت دورانی مذکور برای شبیه­ سازی جریان هوای موجود در فضای اطراف پره ­های کمپرسور استفاده شده است؛ بدین صورت که فرض می­شود پره­ها بدون سرعت دورانی و به صورت ثابت از دید هوای ناحیه­ ی استوانه­ ای شکل اطرافش می­باشند و هوای اطراف تیغه ­ها دارای سرعت دورانی معادل با سرعت دورانی روتور کمپرسور می­باشد. همچنین برای دیواره­ ی پره ­های کمپرسور از شرط مرزی دیواره­ی محرک (moving wall) با سرعت دورانی صفر نسبت به ناحیه­ ی اطرافش استفاده شده است. از آنجایی که ماهیت عملکردی کمپرسور بر مبنای افزایش فشار در سیال می­باشد، برای شبیه ­سازی مناسب از شرط مرزی فشار در ورودی و خروجی کمپرسور استفاده شده است. ضمناً دبی جرمی جریان عبوری از کمپرسور برابر 33.25 کیلوگرم بر ثانیه می­باشد. هدف از مسأله­ ی حاضر، بررسی رفتار جریان هوا و توزیع فشار جریان هوای حول پره­ها پس از متراکم شدن به وسیله­ ی کمپرسور می­باشد.

گام 2) ترسیم هندسه و شبکه ­بندی

مدل حاضر به صورت سه بعدی و با استفاده از نرم ­افزار solidworks ترسیم شده است و سپس به نرم ­افزار design modeler وارد شده است. ساختار هندسی مدل شامل یک فضای استوانه ­ای شکل مخصوص جریان هوای چرخشی و یک ردیف تیغه با زاویه­ ی انحنای مشخص دورتادور روتور مرکزی می­باشد. شکل 2 نمایی از هندسه­ ی ترسیمی را نشان می­دهد.

شکل 2 : نمایی از هندسه­ ی ترسیمی

شبکه­ بندی مدل حاضر با استفاده از نرم ­افزار ansys meshing انجام گرفته است. مش ­بندی به صورت بدون سازمان بوده و تعداد شبکه­ های تولیدی معادل 278162 می­باشد. اندازه ­ی شبکه­ ها در ناحیه­ ی مجاور پره ­ها ریزتر و دارای دقت بالاتر می­باشد. شکل 3 نمایی از شبکه­ بندی انجام گرفته است.

شکل 3 : نمایی از شبکه ­بندی

گام 2) مراحل شبیه­ سازی

برای شبیه­ سازی مدل حاضر، چند فرض در نظر گرفته شده است که عبارتند از:

• شبیه ­سازی مبتنی بر چگالی (density-based) صورت گرفته است؛ زیرا سیال مورد استفاده در مدل، هوا می­باشد که دارای تراکم پذیری قابل توجهی است و از طرفی هدف مسأله­ ی حاضر، فشرده ­سازی جریان هوا می­باشد.
• شبیه­ سازی در هر دو حالت سیالاتی و حرارتی انجام گرفته است.
• مدل حاضر از نظر زمانی پایا (steady) می­باشد؛ یعنی ترم زمان در حل مسأله لحاظ نشده است.
• اثر گرانش زمین (gravity) بر روی سیال در نظر گرفته نشده است.

خلاصه ­ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول 1 آمده است :

گام سوم) نتایج نهایی

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای دو­بعدی و سه­ بعدی مربوط به فشار، دما، سرعت و چگالی و همچنین خطوط جریان و بردارهای سرعت دو­بعدی و سه ­بعدی در ناحیه­ ی مخصوص جریان هوا حول پره­ های کمپرسور به دست آمده­اند. کانتورها و خطوط جریان دو­بعدی در مقطع yoz عمود بر راستای محور کمپرسور و در موقعیت مکانی عبوری از وسط پره­ ها به دست آمده­اند. همچنین کانتورهای فشار، دما و ضریب انتقال حرارت بر روی بدنه­ ی پره­های کمپرسور حاصل شده­اند. نتایج نهایی در شکل­های 4 الی 18 نشان داده شده ­اند.