7. Áramlástechnikai gépek szimulációja
ANSYS rendszerben áramlástechnikai gépek modellezésére az alábbi módszerek állnak rendelkezésre:
· Hatáskeresztmetszet modell - fan
· „Befagyasztott” járókerék modell - frozen rotor
· Keverőfelület modell - mixing plane
· Csúszó-hálós modell - sliding mesh
· Tranziens lapátrács modell (csak CFX megoldó esetében) - transient bladerow
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.
Hosszú időtartamú folyamatok modellezhetők, pl. szemcsék ülepedése.
7.1.ábra Sebességmegoszlás egy vízturbina beépítési környezetében. Balra: sebességmegoszlás a bevezető kialakuló szabad vízfelszinen. Jobbra: sebességmegoszlás függőleges metszetben. A turbina nyomásesését hatáskeresztmetszet modell alkalmazásával vesszük figyelembe.
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.
„Befagyasztott” járókerék modell
7.2.ábra Egy benzinüzemű gépjármű oldalcsatornás üzemanyag szivattyújának CFD modellje. A) Geometriai modell, az áramlás és a járókerék mozgásának iránya. B) Nyomásmegoszlás a szivattyúban. C) Periodizált modellel számított, sebesség szerint színezett áramvonalak.
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).
7.3.ábra Egy gőzturbina fokozat modellje. A) A geometriai modell, a keverőfelület (MP) és az abszolút sebesség vektoros megjelenítése a lapátokra merőleges felületen. B) Blokkstruktúrált numerikus háló. C) Forgó rendszerben értelmezett össznyomás. D) Álló rendszerben értelemzett össznyomás megoszlása.
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. A 7.3.ábra C részletén megjelenített össznyomás megoszlásból látható, amint az álló lapát nyoma a keverőfelületen áthaladva eltűnik.
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.
Ha például egy szivattyú csigaházban a kerület mentén változik a nyomás, a forgó lapátcsatornákat időben változó nyomás terheli, melynek következtében a lapátcsatornák szállítása ingadozik. A 7.4.ábrán illusztrált csúszó-hálós modell alkalmazásával figyelembe vehető a lokális gyorsulás a lapátcsatornában.
7.4.ábra Egy radiális átömlésű kísérleti szivattyú CFD modellje. A) Nyomásmegoszlás a szivattyúban. B) A járókerék és a csigaház hálójának összekapcsolása csúszó interfész alkalmazásával (sárga színnel jelölve).
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 is 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, vagy egyszerűen „befagyaszthatjuk” a pillanatnyi áramképet és nagy időlépésekkel megvizsgálhatjuk a keveredés folyamatát. Ez utóbbi megközelítésre látható alkalmazási példa a 7.5.ábrán.
7.5.ábra Sebesség szerint színezett áramvonalak egy szennyvíztisztító telep iszaprothasztó toronyában. A csúszóhálós modell alkalmazásával kapott áramlási tér alapján állandósult keveredési modell segítségével a hosszú időtartamú folyamat is vizsgálható.