7. Áramlástechnikai gépek szimulációja

Sokféle célja lehet az áramlástechnikai gépek modellezésének: lehet, hogy csak a gép által a környező térben keltett áramlásra vagyunk kíváncsiak, de lehet kérdéses a gép jelleggörbéje, hatásfoka, kavitációs tulajdonságai, a szállított közegben esetleg létező abraziv komponens hatása, a gépre egyes részeire ható stacionárius vagy periodikus igénybevétel, illetve a gép zaja. A gép optimálására bármely tekintetben szükség lehet. A modellezés módszerét a mindenkori műszaki cél alapján kell megválasztanunk.

A hatáskeresztmetszet modellel nyomásnövekedést és perdületváltozást vihetünk be az áramlási tér valamely belső felületére, így egyszerűen modellezhető az áramlástechnikai gép hatása, pl. keverők vagy sugárventilátorok körül kialakuló sebességmegoszlás. A nyomásnövekedés nagysága függhet a sebesség felületre merőleges komponensétől, ezáltal előírható a gép nyomás-térfogatáram jelleggörbéje.

Nagyban egyszerűsíti a modellezést, hogy nincs szükség a lapátok geometriai adataira és a hatáskeresztmetszetben viszonylag durva hálót is alkalmazhatunk, azonban a gép jelleggörbéjét mérésekkel vagy más szimulációs megközelítéssel előzetesen meg kell határozni. A mozgó lapátrács hiányának, és ebből adódóan a viszonylag durvább felbontásnak köszönhetően nagy időlépéseket alkalmazhatunk, melyek hosszú időtartamú tranziens folyamatok elemzését is lehetővé teszi.

A lapátok felületén a sebesség a lapát kerületi sebességével azonos, így a gépre jellemző áramkép és nyomásváltozás kialakul. Valójában az áramlástechnikai gépekben kvázistacionárius (periodikus) áramlási tér van, amelyet a befagyasztott járókerék módszer stacionárius áramlással próbál helyettesíteni, hiszen a járókerék az állórészhez képest állandó szöghelyzetben kerül modellezésre. Ez a közelítés igen jónak tekinthető, ha a járókerék hozzáfolyási és elvezetési viszonyai forgásszimmetrikusak (pl. elő és utóterelő nélküli axiálventilátorok és hajócsavarok esetében), vagy a járókerék nagyszámú lapáttal rendelkezik és az áramlás periodicitásából adódó jelenségekre nem vagyunk kíváncsiak.

Kihasználva a lapátrács periodicitását csökkenthető a szimulációs cellák száma. A fenti példában bemutatott oldalcsatornás szivattyú esetében a periodicitáson kívül a középsíkra vonatkozó szimmetria is feltételezhető, így mindössze egyetlen lapát felét és a hozzá tartozó oldalcsatorna szakaszt kell behálóznunk, ami nagyon megkönnyíti például a lapátalak vagy az oldalcsatorna formájának optimálását.

FLUENT rendszerben a befagyasztott járókerék modell alkalmazása igen egyszerű: a járókerék belsejét az álló térrészektől elkülönített fluid zónaként kell létrehozni és ezt a zónát mozgó térrésszé kell alakítani (Cell Zone Conditions / Motion / Motion Type : Moving Reference Frame; ugyanitt adhatjuk meg a térrész szögsebességét is).

A befagyasztott járókerék közelítés egyik gyengéje, hogy a lapátok nyoma a következő lapátsor egy rögzített pontján ütközik fel, és a pont helye (amely pl. határréteg leválás kiindulópontja lehet) az általunk kiválasztott szöghelyzettől függ. A keverőfelület modell úgy küszöböli ki ezt a problémát, hogy a járókerék és az állórész hálóját összekapcsoló felület mentén a forgás irányában haladva átlagolja a jellemzőket. Ilyen módon meglehetősen pontosan és gazdaságos módon kiszámítható az áramlástechnikai gépek egyensúlyi jelleggörbéje.

Átadható pl. belépő peremfeltételként a második zónába az átlagolt tömegfluxus, az első zóna pedig kilépő peremfeltételként megkaphatja az átlagolt nyomást második zóna felől. Az átlagolásnak köszönhetően lapátrácsokat egy-egy lapáttal lehet modellezni és nem szükséges, hogy a lapátosztások azonosak legyenek a forgó- és állórészeken.

A külön hálózott térrészek interfész felületeinek Define/Mixing Planes menüben történő összekapcsolásával axiális és radiális irányú keverőfelület is létrehozható FLUENT-ben.

Csúszóhálós modell esetében a járókerék hálója ténylegesen elfordul az állórészhez képest. A két hálót FLUENT-ben interface peremfeltétel segítségével kell összekapcsolni, majd engedélyezni a háló mozgását (Cell Zone Conditions / Motion / Motion Type : Moving Mesh, valamint a szögsebesség megadásával). E módszerrel lehetővé teszi, a forgórész ás az állórész kölcsönhatásának részletes elemzését, a lapátváltás okozta nyomásingadozást is beleértve. A számítás erőforrásigényét növeli, hogy időfüggő szimulációt kell alkalmazni és a lapátok periodicitása nem vehető figyelembe a modellezés során.

Különböző modellezési megközelítések kombinációja és célszerű lehet. Ha például egy hosszú időtartamú keverési folyamatot szeretnénk modellezni, azonban a gép jelleggörbéjére vonatkozó mérési adat nem áll rendelkezésre, akkor a geometriai adatokból kiindulva csúszó hálós modell eredményei alapján előállíthatjuk egy hatáskeresztmetszet modell paramétereit, így a hosszú időtartamú elemzés már gyorsabban elvégezhető.