توربین پیچشی ارشمیدس (AST)، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (توربین پیچ ارشمیدس)

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی یک توربین پیچ ارشمیدس (Archimedes Screw Turbine (AST)) دارای سه پره با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

ژنراتور پیچ ارشمیدس که به عنوان توربین پیچ ارشمیدس (AST) یا توربین پیچ نیز شناخته می‌شود، یک ماشین هیدرولیکی است که از اصل پیچ ارشمیدس برای تبدیل انرژی پتانسیل جریان در سطح بالادست به انرژی جنبشی استفاده می‌کند.

فرض براین است که توربین برروی رودخانه‌ای قرار دارد و سیال آب از آن عبور می‌کند. یک جریان در کادر بالایی دامنه محاسباتی در یک سطح ثابت وجود دارد. توربین دارای زاویه 30 درجه با زمین است؛ در حالی که آب از سطح بالایی وارد دامنه محاسباتی می‌شود. فشار نسبی در خروجی صفر است و تمام سطوح دیگر دیوارهای ثابت هستند.

مدل حاضر را با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) به صورت سه بعدی طراحی کردیم. دو باکس مستطیلی شکل در ابتدا و انتهای توربین وجود دارد که جریان را به داخل توربین هدایت می‌کند و درنهایت آب را از آن خارج می‌کند. شعاع داخلی و خارجی توربین به ترتیب 0.5 متر و 1 متر است.

سپس مدل را با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) شبکه بندی کردیم. مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد بیش از ۲ میلیون سلول ایجاد شده است.

روش‌های مورد استفاده

روش ارجح برای حرکت چرخشی توربین، استفاده از مش متحرک (mesh motion) در حالت ناپایای زمانی (unsteady) است. با توجه به مفهوم این روش، (روش مش متحرک)، ناحیه دوار شامل توربین پیچ است که به طور مستقل می‌چرخد.

همچنین مدل چندفازی حجم سیال (VOF) برای تعریف فازهای آب و هوا استفاده می‌شود. همچنین سطح بالای دامنه محاسباتی با استفاده از گزینه جریان کانال باز (Open Channel Flow) حاوی آب در یک سطح ثابت است.

مدل دو معادله‌ای استاندارد k-epsilon به عنوان مدل توربولانسی (turbulence) انتخاب شده است.

نتایج

در پایان فرآیند حل، کانتورها (contour) و بردارهای (vector) دو بعدی و سه بعدی مربوط به فشار و سرعت آب به دست می‌آید. در ابتدا جریان آب وارد باکس بالایی می‌شود، از روی پره‌های توربین می‌گذرد و به سمت صفحه خروجی حرکت می‌کند.

توان خروجی توربین محاسبه شده و حداکثر مقدار آن برای سرعت زاویه‌ای 10 دوردردقیقه تقریباً برابر با 5 کیلو وات است. توان خروجی برابر است با پارامتر Moment به دست آمده توسط نرم افزار انسیس فلوئنت ضربدر سرعت زاویه‌ای توربین بر حسب رادیان‌برثانیه که برای این پروژه 1.05 است. شکل زیر تغییرات پارامتر Moment را در زمان‌های مختلف حل نشان می دهد.

همچنین، کانتور فشار استاتیکی در کل دامنه محاسباتی به دست آمده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود زمان عبور از کانال کاهش می‌یابد.