کاویتاسیون در پمپ جریان محوری، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (پمپ جریان محوری)

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی پدیده کاویتاسیون (cavitation) درون یک پمپ جریان محوری (radial flow pump) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

این پمپ از نوع پمپ گریز از مرکز (centrifugal) یا پمپ جریان شعاعی می‌باشد. بدین ترتیب، سیال مورد نظر به موازات محور مرکزی وارد آن شده و به صورت شعاعی یا عمود بر مسیر ورودی از آن خارج می‌شود. این پمپ‌ها معمولا برای ایجاد فشارهای بالا در دبی کم استفاده می‌شوند و همچنین رایج‌ترین نوع در بین پمپ‌ها هستند.

پدیده کاویتاسیون زمانی اتفاق می‌افتد که فشار مایع در دمای ثابت به زیر فشار بخار آن می‌رسد. در این حالت، سیال از مایع به بخار تبدیل می‌شود و حباب تشکیل می‌دهد. این فرآیند کاویتاسیون نامیده می‌شود.

حال اگر این حباب‌ها به قسمت‌های پرفشار پمپ منتقل شوند، دچار فروپاشی می‌شوند. این فروپاشی حباب به صورت موضعی خلاء ایجاد می‌کند که درنتیجه، مایع اطراف حباب با سرعت و فشار بسیار بالایی به سمت فضای خالی حرکت می‌کند.

مدل حاضر با استفاده از نرم افزار Bladegen به صورت سه بعدی طراحی شده است. از آنجایی که مدل فعلی به صورت شعاعی متقارن است، تنها یک قطعه از آن را می‌توان به صورت شعاعی رسم کرد و سپس حول محور مرکزی توسعه داد.

بنابراین، مدل از یک قطعه تشکیل شده است که از یک طرف دارای یک بخش ورودی جریان محوری و از طرف دیگر، یک بخش خروجی شعاعی است. در دو طرف این قطعه از نوع مرز تناوبی (periodic) استفاده شده و یک پره به صورت منحنی در وسط کشیده شده است.

اگر این قطعه را حول محور مرکزی گسترش دهیم، یک پمپ جریان شعاعی با هفت پره ایجاد می‌شود. مش بندی مدل حاضر با استفاده از نرم افزار Turbogrid انجام شده است. مش بندی از نوع بدو سازمان (unstructured) بوده و تعداد 63308 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

سیال کاری مورد استفاده در این پمپ، گازوئیل مایع است؛ به طوری که دارای چگالی برابر با 830 kg/m³ و ویسکوزیته برابر با 0.00332 kg/ms می‌باشد. از آنجایی که پمپ‌ها تجهیزاتی هستند که به طور ذاتی براساس تغییرات فشار کار می‌کنند، در این مدل‌سازی از شرایط مرزی فشار در مرز ورودی و خروجی پمپ استفاده می‌شود.

بدین ترتیب، جریان گازوئیل مایع با فشار صفر پاسکال به صورت محوری وارد پمپ شده و با فشار 109872 پاسکال به صورت شعاعی از آن خارج می‌شود. همچنین برای تعریف چرخش سیال داخل پمپ از ابزار قاب متحرک (frame motion) با سرعت دورانی معادل 20 رادیان‌برثانیه استفاده شده است.

این فرآیند در نواحی نزدیک به دیواره‌های داخلی پمپ‌ها و به ویژه در نواحی مجاور پره‌ها باعث می‌شود که مایع با نیروی زیاد به دیواره‌ها و پره‌ها برخورد کند و درنتیجه، منجر به آسیب رساندن به پمپ و درنهایت کاهش عمر آن شود.

بنابراین، یکی از حیاتی‌ترین مسائل صنعت، بررسی امکان کاویتاسیون در داخل پمپ‌ها و راهکارهایی برای کاهش آن است. بنابراین در مدل حاضر سیال دیگری به عنوان بخار گازوئیل با چگالی معادل 9.4 کیلوگرم بر مترمکعب و ویسکوزیته برابر با 0.000007 تعریف شده است، و همچنین از مدل چند فازی حجم سیال (volume of fluid (VOF)) استفاده شده است.

بنابراین، سیال اولیه به عنوان گازوئیل مایع و سیال ثانویه به عنوان گازوئیل بخار است، و بین این دو سیال انتقال جرم (mass transfer) به صورت کاویتاسیون تعریف می‌شود. فشار بخار مورد نیاز برای کاویتاسیون 50900 پاسکال تعریف شده است.

نتایج

هدف از این کار، بررسی پدیده کاویتاسیون در داخل پمپ شعاع محوری می‌باشد. در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) سه بعدی مربوط به فشار، سرعت، کسر حجمی (volume fraction) فاز بخار، گرادیان کسر حجمی فاز مایع و گرادیان نرخ انتقال جرم (mass transfer rate) را به‌دست می‌آوریم.

ما همچنین بردارهای (vector) سرعت سه بعدی را ارائه می‌دهیم. حیاتی‌ترین نتایج این پروژه، کسر حجمی بخار و کانتورهای نرخ انتقال جرم است که نشان می‌دهد کاویتاسیون در کجا اتفاق افتاده است.