ارزیابی طراحی توربینهای آبی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی
چکیده
تجزیه و تحلیل CFD به طور گستردهای در Jyoti برای توسعه توربینهای آبی استفاده میشود. این مقاله شامل تجزیه و تحلیل CFD توربین فرانسیس (Ns = 165) و اعتبارسنجی نتایج CFD با نتیجه آزمایش است. تجزیه و تحلیل CFD سیستم کامل:پوشش مارپیچ + پره ثابت(ایستاده) + رانر+ لوله مکش+پره اصلی و راهنما در BEP و همچنین در قسمت بار و عملکرد همراه با تلفات تجهیزات مختلف پیشبینی میشود. نتایج تجزیه و تحلیل پیش بینی شده از CFD با نتایج تجربی مقایسه شده که البته این قیاس توافق خوبی را نشان میدهند. این مورد دستورالعملی برای پروژه توسعه جدید آینده ما میشود.لغات کلیدی: توربین فرانسیس، تجزیه و تحلیل CFD توربین، BEP (نقطهی کارکرد با بهترین کارامدی)مقدمهJyoti تامین تجهیزات برق آبی کوچک از ۳ دسامبر گذشته به بازار هند و بازارهای خارجی را شروع کرد.چهار نوع اساسی توربین Francis، Kaplan، Pelton و Turgo وجود دارد که توسط Jyoti عرضه میشود. دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) آخرین وضعیت ابزار تکنیکی که توسط طراح برای ارزیابی طراحی هیدرولیکی توربین استفاده میشود، است. این مقاله ارزیابی ما از طراحی توربین فرانسیس توسط CFD را توصیف میکند. این موضوع با مشخصات طراحی، مدل سازی، تولید مش، طرح مسئله و ارزیابی عملکرد با CFD شروع میشود و ادامه مییابد. همچنین در پایان، نتایج تجزیه و تحلیل CFD با نتایج تجربی مقایسه میشود.مشخصات توربین فرانسیسطراحی توربین Francis در محدوده ۵۰ تا ۱۴۲ متر و محدوده تخلیه ۱ تا ۷ متر مکعب بر ثانیه استفاده میشود. این توربین در هیچ یک از مکانها نصب نمیشود و خروجی رضایت بخشی نیز میدهد. این یکی از طرحهای موفق ماست، بنابراین تصمیم گرفتیم با استفاده از CFD به مطالعه و تحلیل آن بپردازیم. چهار گام پایه مربوط به تجزیه و تحلیل CFD وجود دارد. به عنوان مثال مدل سازی هندسی، تولید مش، تعریف مسئله و راه حل و پردازش پسین نتیجه.مدلسازی هندسیتوربین فرانسیس شامل چهار جزء اساسی میباشد که عبارتند از: محفظهی اسپیرال با پره های ایستاده، پره های راهنما، رانر و لوله مکش. برای تجزیه و تحلیل CFD، ما نیاز به ایجاد مدل جریان عبوری آب از هر جزء را دایم. شکل ۱ مدل جریان عبوری آب از تمامی المانها را نشان میدهد. تمام قطعات با استفاده از نرمافزار تجاری ساخته میشوند. مونتاژ تمام اجزاء نیز در شکل ۱ نشان داده شدهاست.تولید مشمش با استفاده از نرمافزار تجاری meshing تولید میشود. تولید مش بسیار مهم است زیرا کیفیت نتیجه CFD به آن بستگی دارد. ما از عناصر تترا و بلور استفاده کردهایم. نسبت ابعاد مشبندی، در یک محدوده مشخص میباشد. کیفیت کلی شبکه در هر صنعت استاندارد است و نتایج، مستقل از آن است. شکل ۲٫A نشان دهندهی تولید مش در هر اجزا میباشد. علاوه بر این، آزمون حساسیت شبکه نیز انجام شدهاست و نتایج CFD مستقل از مش میباشد. جزئیات هر گره در هر جزء در جدول ۱ آمدهاست.
شکل ۱ جزای توربین فرانسیس
شکل ۲٫A مش بندی اجزای توربین فرانسیس
شمارهی گرهها |
اجزاء |
شماره |
۹۹۹۵۶۶ |
پوشش مارپیچ (اسپیرال) |
۱ |
۹۶۳۹۰۰ |
پره اصلی (راهنما) |
۲ |
۱۲۲۸۱۲۴ |
رانر |
۳ |
۲۷۷۹۳۱ |
لوله مکش |
۴ |
جدول ۱ المانهای تولیدشده در هر جزء
در رانر و لوله مکش، جداسازی جریان اتفاق میافتد. ما از منشور برای تفکیک جریان لایه مرزی در مرز دیواری استفاده کردهایم. برای دانستن اینکه ما لایه مرزی را به طور موثری در نظر گرفتیم، مقدار Y + در منطقه جداسازی جریان باید کمتر از ۲۰ باشد. با استفاده از موضوع این ما میتوانیم مقدار صحیح تلفات سر قطعه را پیش بینی کنیم. شکل ۲٫B رسم Y + بر روی تیغهی رانر و لوله مکش و ارزش آن در محدودهی مشخصشده را نشان میدهد.
شکل ۲٫B رسم برای رانر و لوله مکش
طرح مسئله
تجزیه و تحلیل CFD تک فاز ثابت (فقط آب) برای توربین فرانسیس انجام شد. تمام اجزای مورد استفاده در تجزیه و تحلیل و بررسی کامل سیستم CFD در نظر گرفته شد. در فشار اتمسفری خروجی و در ورودی پوشش مارپیچ (اسپیرال) کل تخلیه مشخص شده به عنوان شرایط مرزی همانطور که در شکل ۳ نشان دادهشده، مشخص شدهاست. سطح جامد تمام اجزا به عنوان یک مرز دیواری بدون شرایط لغزش در نظر گرفته شدهاست. پوشش اسپیرال، پره راهنمای و لوله مکش به عنوان محدوده ثابت در نظر گرفته شده، زیرا آنها اجزای ثابت و رانر به عنوان دامنهی چرخشی و با مدل چندگانه مرجع (MFR) حل شده است. از دامنهی رابط برای اتصال تمام اجزا به یکدیگر استفاده شدهاست. از رابط روتور منجمد برای اتصال رانر با پره راهنما و لوله مکشا ستفاده میشود. انتقال فشار برش (SST) به عنوان مدل آشفتگی با وضوح بالا به عنوان طرح پیشگیرانه استفاده میشود. معیار همگرایی حداکثر با گام زمانی خودکار در نظر گرفته شدهاست. محاسبه در سه پره های راهنمای مختلف انجام شده و نتیجه به شرح زیر قابل مشاهده میباشد:
شکل ۳ تعریف مسئله برای اجزای توربین فرانسیس
نتایج و بحث
تجزیه و تحلیل CFD کامل سیستم توربین فرانسیس در سه پرهمختلف راهنما طبق سه بارگزاری مختلف بر روی توربین از BEP تا اضافه بار انجام شدهاست. بحث مفصل در مورد نتایج به شرح زیر است:شکل ۴ نمودار تراکم فشار و سرعت را در یک صفحه مرکزی نشان میدهد. در اینجا بار ۱۰۰٪ به معنای تخلیهی نامی و ۱۱۲٪ و ۱۲۳٪ برای مقدار تخلیه برای اضافه بار است. این شکل کاهش تدریجی فشار از ورودی محور مارپیچی به خروج رانر را نشان میدهد. افت فشار استاتیک در محفظه تقریباً بی اهمیت است و فقط از موجب تلفات اصطکاک میشود. هنگامی که آب وارد پره راهنما (هدایت) از محفظه میشود، با توجه به باز شدن پره راهنما (هدایت)، تغییرات فشار استاتیک رخ میدهد. در این مورد، در BEP تغییرات فشار استاتیک همانطور که در شکل ۴ نشان داده شدهاست، در مقایسه با باز شدن به دلیل اضافه بار، بیشتر است. این باعث میشود سرعت در پره راهنما (هدایت)خروجی بیشتر شود که این موضوع تلفات اصطکاک را افزایش میدهد. علاوه بر این، هنگامی که باز شدن در حال تغییر است، چرخش آب ورودی به رانر نیز دچار تغییر میشود. این تغییر در چرخش در ورودی رانر موجب تلفات در لبهی پیشرو میشود که موجب افزایش توسعه و جداسازی جریان میشود.
شکل ۴ نمودار کنتور فشار و سرعت در مرکز صفحه
شکل ۵(a) کنتور فشار را بر روی سطح اوجی رانر نشان میدهد. این نشان میدهد که چگونه فشار استاتیک به تدریج از ورودی تا خروج رانر کاهش مییابد. شکل ۵ همچنین بارگیری تیغهای که توزیع فشار در دو طرف تیغه رانر است را نشان میدهد. همچنین نشان میدهد که بار، اختلاف فشار بین دو طرف تیغه را افزایش میدهد. به دلیل این افزایش اختلاف فشار، گشتاور نیز افزایش یافته که این موجب افزایش تولید توان خروجی میشود.
شکل ۵(b) نشانگر بارگیری تیغه روی تیغه رانر میباشد. به دلیل وجود ۱۳ تیغه، بیشتر از یک خط در جدول بارگیری تیغه در توپ چرخشی، محل میانی و سقف، وجود دارد. تقسیم بندی از صفر تا یک در محور x نشان دهندهی درصد فاصله بین لبه پیشرو و پسین رانر است. بارگیری تیغه نیز کاهش تدریجی فشار از ورودی به خروجی را که نشان دهندهی یک طراحی خوب میباشد، نشان میدهد .
شکل ۶ نشان دهندهی سرعت در نمای تیغه به تیغه در توپ چرخشی کف رانر و پره راهنما (هدایت)میباشد. این نشان میدهد که آب چگونه از پره راهنما (هدایت)وارد رانر میشود. همانطور که جریان در ورودی رانر با فشار وارد می شود، جداسازی جریان در تمامی بارها انجام میشود. این جداسازی جریان اجتناب ناپذیر است و شدت آن بستگی به بار عملیاتی دارد. جداسازی جریان یکی از پارامترهای اصلی تلفات سر رانر است. علاوه بر این، شکل ۶ نشان میدهد که سرعت جریان در کف بسیار زیاد است و این موجب افزایش تلفات اصطکاک رانر میشود.
شکل ۶ رسم سرعت در شرایط بارگزاری مختلف برای رانر و پره راهنما (هدایت)
شکل ۷ بردار سرعت در شرایط بارگذاری مختلف در لوله مکش را نشان میدهد. این نشان می دهد که منطقه تفکیک جریان داخل لوله مکش با افزایش بارگزاری، افزایش مییابد. آب از رانر با سرعت بالا، با مولفهی چرخشی خارج میشود. مولفهی چرخشی بار با بار عملیاتی افزایش مییابد. این انرژی جنبشی به انرژی فشاری در مخروط ورودی تبدیل نمیشود، بنابراین تلفات و جدایی جریان افزایش می یابد. در لوله مکش، جداسازی جریان به دلیل چرخش و تغییر جهت جریان با استفاده از خم شدن لوله مکش اتفاق میافتد.
شکل ۷ رسم بردارهای سرعت در شرایط بارگذاری مختلف برای لوله مکش
شکل ۸ تلفات اجزای مختلف توربین فرانسیس را نشان میدهد. این حداکثر تلفات اتفاق افتاده در رانر را که با بار عملیاتی افزایش مییابد نشان میدهد. این تلفات در رانر به علت جدایی جریان و تلفات اصطکاک است. در صورت استفاده از پره اصلی (راهنما)، تلفات با افزایش بار عملیاتی کاهش مییابد. کاهش تلفات در پره اصلی (راهنما)به دلیل کاهش سرعت به جهت بازشدن بیشتر، که موجب کاهش تلفات اصطکاک پوستی به علت افت پایین فشار استاتیک است، میباشد. هنگامی که پره اصلی (راهنما)از حالت کاملاً بسته به حالت کاملاً باز میرود، درست مثل نازل و افزایش بار عملیاتی عمل میکند؛ باز شدن پره اصلی (راهنما)باید افزایش یابد. از این رو، این مانند نازل عمل میکند که با باز و بسته شدن آن شما می تواند تخلیه را مانند فشار استاتیک تغییر دهد. در هنگام باز شدن کم، افت فشار استاتیک بالا است، بنابراین تلفات سر نیز بالا میباشد. در مورد محفظه، افزایش بار باعث افزایش تخلیه میشود. به علت افزایش میزان تخلیه، سرعت داخل محفظه نیز افزایش می یابد که باعث تلفات اصطکاک پوستی زیاد میشود. از این رو، در محفظه در زمان افزایش بارگیری، تلفات سر نیز افزایش مییابد. در لوله مکش، بار عملیاتی که افزایش مییابد تلفات سر نیز افزایش مییابد. این به دلیل کاهش بازده فشار و جداسازی جریان در لوله مکش است.
شکل ۸ تلفات سر اجزاء
شکل ۹ مقایسه نتایج تجربی و CFD را نشان میدهد. روند هر دو نتیجه یکسان است و فاصله بسیار کم بین آزمون و نتیجه CFD را نشان میدهد. پیشبینی عملکرد CFD توافق خوبی با نتیجه آزمایش دارد.
شکل ۹ مقایسهی بین نتایج آزمایش تجربی و CFD
نتیجهگیری
این مطالعه به ما کمک میکند تا فیزیک جریان پایه را در اجزای مختلف تعیین کنیم. همچنین به ما کمک میکند تا علل اصلی تلفات را در اجزای مختلف تعیین کنیم. در این ارزیابی، دو نوع تلفات اساسی را تعیین کردیم: اصطکاک پوستی و جریان ثانویه یا جداسازی جریان که در اجزای مختلف رخ میدهد. علاوه بر این، ما روند تلفات و الگوی جریان را در انواع مختلف اجزاء که در حقیقت این امر دستورالعملهای ما برای های طراحیهای جدید آینده میشود، مشخص کردیم. مقایسه نتایج تجربی و CFD توافق خوبی را نشان داد. این به ما اطمینان میدهد که پیش بینی عملکرد CFD با نتایج تجربی سازگار است.
منبع: Conference: AICFM-FMFP-2011, At IIT-Madras