SOLIDWORKS Flow Simulation Santrifüj Pompa Analizi

SOLIDWORKS Flow Simulation santrifüj pompa analizinin nasıl yapılacağına detaylıca değinmeden önce;

Pompa Nedir? Ne işe Yarar?

Pompalar sıvıya enerji veren makinelerdir. Bir tahrik motorundan alınan mekanik enerjiyi pompa içinden geçen sıvıya aktarırlar. Genel olarak, pompalar sıvıların basıncını ve toplam enerjisini arttırarak, bir yerden diğer bir yere nakil imkanını sağlar.

Pompalar, modern dünyamızda aşağıdakileri içeren birçok bağlamda kullanılmaktadır:

• Uçak, motorlu taşıtlar, gemiler ve sıvı yakıtlı roketler için sevk sistemleri
• Güç üretimi yapan sistemler
• Gaz, yağ ve su pompa istasyonları
• Kalp destekli pompalardan soğutma tesislerine kadar çok sayıda başka endüstriyel alanlarda ve ürünlerde

Santrifüj pompalarda çark bir mil üzerine monte edilmiş olup, sıvıya devir gereken enerjiyi bu milden alır. Mil, rulman yatakları üzerine mesnetlenmiştir. Bir kaplin kavrama ile tahrik motoruna bağlıdır. Mil ile pompa gövdesi arasında bırakılması mecburi olan boşluklar arasından sıvının dışarıya sızmaması için salmastra tertibatı kullanılır.

Alttaki referans resim üzerinden;

• 1) Dönen çark
• 2) Mil
• 3) Gövde
• 4) Giriş
• 5) Çıkış

Bu tarz pompalar radyal pompa olarak adlandırılır. çünkü akışkan giriş akış yönüne dik radyal yönde döner ve çıkar.

Bir pompadan geçen akış üç boyutlu, viskoz ve kararsızdır. Bundan dolayı pompa performansının doğru analizi yalnızca genel olarak CFD ve özel olarak SOLIDWORKS Flow Simulation kullanıldığında tahmin edilebilir.

Modelleme

SOLIDWORKS Flow Simulation ile analize başlamadan önce model üzerinde birkaç düzenleme yaparak modeli analiz için uygun hale getirmeliyiz. Bu aşamaları maddeler halinde sıralayacak olursak;

1) Giriş ve Çıkış Bölgelerinin Uzatılması: Çıkışa ulaşmadan önce akışın gelişmesi için çıkış borusunu uzatmak gerekmektedir. Bazı durumlarda aynı işlemi giriş kısmına da yapılması uygun olur.

2) Akışkan Bölgenin Düzenlenmesi: Akışkan bölge içindeki boşlukları, tasarımdan kaynaklı akışı etkileyebilecek bölgeleri, bu bölgelerde oluşacak dönen akışları çözmek yerine boşlukları, keskin geçişleri kapatmak ve model içerisinden çıkarmak daha iyi bir analiz imkânı sağlayacaktır.

3) Dönen Bölge Oluşturulması: Hareket eden cisimlerin etrafındaki akışları incelerken, cismin sabit olduğu hareketli bir koordinat sistemi kullanarak analizin karmaşıklığını sıklıkla azaltabilirsiniz. Koordinat sistemi hareket ettiğinde, analiz daha basittir. Çünkü koordinat sisteminin hareketini tanımlayan açısal ve doğrusal hız vektörü nedeniyle koruma denklemlerine yalnızca üç ekstra terim eklenir. Hareketi tanımlamak adına dönen cisimler etrafında hareketli bölge oluşturulur. Bu çalışmada da dönen çark etrafına bir dönen bölge oluşturularak dönme hareketi bu bölge üzerinden simüle edilecektir.

SOLIDWORKS uygulamasında dönen bölgeyi – (Rotatiog Region (RR)) kendimiz tasarlamamız gerekir. RR, çarkın dönüşünü ve çarka yakın olan akışkanı yakalar. Bir çizimde, dönen bölge taslağını çizebilir ve ardından bir döndürme işlemi kullanabilirsiniz.

Bu işlemi yaparken dikkat etmemiz gereken 2 husus bulunmaktadır:

• 1) Dönen bölgenin, çarkı ve az miktarda akışkanı sardığından (sadece dokunmadığından) emin olmak.
• 2) Dönen bölgenin çarkla eksenel simetrik ve eş merkezli olduğundan emin olmak (aynı eksenler).

Dönen bölge, çark geometrisinin tamamını kapsamalıdır. Ancak bu bölgenin dış çapının ve şeklinin seçimi kullanıcının becerisine bırakılmıştır.

Dönen bölge sınırını, çark ve stator arasındaki dar bir boşluğa yerleştirmek yerine bir katı içine yerleştirerek, ek ağ iyileştirmesinden kaçınabilirsiniz.

Yapılan işlemler sonrasında dönen çarkımız etrafında bütün katı modeli kapsayacak şekilde dönen bölge oluşturulmuştur.

4) İç Akış Bölgesinin Oluşturulması: SOLIDWORKS Flow Simulation eklentisi içindeki ‘Kapak Oluştur’ komutunu kullanarak modelimizin giriş ve çıkış borularını kapatıyoruz.

Bu yapılan son işlem sonrasında modelimiz artık analize hazır hale gelmiştir. Flow Simulation sihirbazımızı başlatmadan önce ‘Geometriyi Denetle’ komutunu kullanarak modelimizin iç akış bölgesini, tasarımda herhangi bir sorunun olup olmadığını kontrol edebiliriz.

Bu noktada dikkat etmemiz gereken en önemli husus katılama kullanarak oluşturduğumuz ‘Dönen Bölgenin’ bileşenler içinde seçili olmamasıdır. Seçili olduğu takdirde o bölgeyi de katı model olarak algılayacaktır.

SOLIDWORKS Flow Simulation Analiz Adımları

1) Sihirbaz komutunu kullanarak yeni bir iç akış analizi başlatıyoruz.

• Analiz tipi iç akış ve yerçekimi etkisini görmek istediğimizden dolayı yerçekimini aktif ediyoruz.
• Rotasyon seçeneğini aktif ederek ‘Yerel bölgeler (Ortalama)’ seçeneğini seçiyoruz.
• Diğer adımlarda akışkanımızı ve başlangıç koşullarımızı ayarladıktan sonra çalışmamızı yeni bir proje olarak başlatmış oluyoruz.

2) Sınır Koşulları ve Dönen Bölge

• Giriş sınır şartı olarak kütlesel debi, çıkış sınır şartımız olarak da modelimizin atmosfere açıldığını kabul ederek çevre basıncı ekliyoruz. Sınır şartlarını atadığımız yüzeyler, giriş ve çıkış borularını kapatmak için kullandığımız kapaklarının akışkan ile temas halinde olduğu iç yüzeyleridir.
• Dönen bölgeler komutunu kullanarak oluşturduğumuz parçaya bir dönme hareketi ekliyoruz.

3) Hedeflerin Oluşturulması

-Giriş ve Çıkış Yüzeylerine Oluşturulan Hedefler

• Ortalama toplam basınç
• Maksimum toplam basınç
• Ortalama statik basınç
• Maksimum statik basınç
• Ortalama hız
• Maksimum hız
• Kütlesel debi
• Hacimsel debi

-Verim Hesabında Kullanılmak Üzere Çark Yüzeylerine

• Tork Hedefi

-Denklem Hedeflerinin Oluşturulması

Verim hesabı yapabilmek için analizi başlatmadan önce verim hesabının formülünü denklem hedefi olarak tanımlamamız gerekir. Bu noktada verim hesabının tanımlanması için;

• P_giriş: Pompanın girişindeki statik basınç yüzey hedefidir (Pa)
• P_çıkış: Pompanın çıkışındaki toplu ortalama statik basınç yüzey hedefidir (Pa)
• 𝑄: Kütlesel debi (kg/sn)
• Ω: Çark dönüş açısal hızıdır (rad/sn)
• T: Çark torku (N.m)

Bu değerler yüzey hedefleri olarak tanımlanabilir. Ve aşağıda verilen verim formülünü denklem hedefi olarak tanımlayarak çözüm sırasında verim hesaplaması da yapılabilir.

Pompa verimini (𝜂) aşağıdaki şekilde hesaplayabilirsiniz. (F.M.White “Fluid Mechanics”, 3. baskı, 1994)
𝜂 = (𝑃_çıkış−𝑃_giriş)∙𝑄/(Ω∙T)

4) Mesh Yapısını Oluşturma

Analizimizi yapmış olduğumuz çalışmada bir dönen bölge içinde dönen çarka sahip olduğumuzdan dolayı bu iki bölge arasındaki mesh sayımızı en az 3 olarak düzenlemek çözümün doğruluğu açısından önerilmektedir. Bunun nedeni, mesh ağının çarkın çevresindeki akışı daha iyi yakalaması ve pompanın verimlilik hesaplamasında kullanılan tork değerinin doğru hesaplanabilmesidir.

Global Mesh seçeneğinden dönen bölge ve stator arasında kalan bölgenin mesafesini ölçerek kanallar seçeneğini bu değerler üzerinden düzenleyerek mesh yapımızı düzenleyebiliriz.

Aynı zamanda dönen bölge oluşturmak için hazırlamış olduğumuz parça üzerinden bir yerel mesh tanımlaması yaparak bu bölgedeki meshlerin boyutlarını ve sıklıklarını ayarlayabilmekteyiz.

Bir diğer seçenek olarak da çözümlemeye başlamadan önce ‘Hesaplama Kontrol Seçeneklerinden’ iyileştirme sekmesi altından meshimiz için bir iyileştirme düzeyi tanımlamaktır. Bu seçeneği kullanmak çözüm süremizi uzatacaktır.

5) Dönen Bölge Çözücüleri Hakkında (Ortalama ve Kayan)

Yerel bölgeler (Ortalama) alma yöntemi, dönen bölgenin arabiriminde akış değişkenlerinin çevresel ortalamasını alarak bir kararlı durum hesaplaması gerçekleştirmeyi mümkün kılar. Öte yandan, Yerel Bölgeler (Kayan) maksimum doğruluk için stator/rotorun gerçek geçici etkileşimini çözer. Bu yöntemi tek tek bıçak geçişleri çiftlerine veya 360 derecelik modelin tamamına uygulayabilirsiniz. Özellikle stator/rotor etkileşiminin önemli olduğu ve akışın asimetrik olmaktan uzak olduğu durumlarda, yerel bölgeler (Ortalama) yöntemi yerine bu yöntemin kullanılması bir tavsiyedir.

Kayan yaklaşımı, akış alanının dengesiz olduğunu ve yalnızca zamana bağımlı analiz için kullanılabileceğini varsayar. Bu varsayım, ortalama yaklaşımının kullanılmasından daha doğru bir simülasyon elde etmenize olanak tanır. Bununla birlikte, bu yaklaşım dengesiz bir sayısal çözüm gerektirdiğinden hesaplama açısından ortalama yaklaşımına göre daha zorludur. Bu durum, santrifüj pompalar için de geçerlidir ve kayan geçici rejim, geçici ortalama alma yönteminden daha fazla geçici rejim doğruluğu sağlar. Bu yöntemlerin tümünde çözücü, simülasyonun farklı bölgelerindeki akış alanını hesaplarken, kayan arayüz boyunca çerçeve değişikliğini otomatik olarak barındırır.

6) Dönen Bölge Tasarım Notları

Dönen bölge çark geometrisini kapsamalıdır ancak bu bölgenin dış çapının seçimi ve tasarımı kullanıcının becerisine bırakılmıştır. Açık literatürde bu konuda sadece birkaç çalışma vardır. Farklı bir dönen bölge boyutunun etkisini değerlendirmek için parametrelerin dönen bölgenin boyutları olduğu parametrik bir çalışma yürütebilirsiniz. Aynı zamanda dönen bölge ile stator ve rotor arasındaki mesh kalitesi sonucun doğruluğu açısından oldukça önemlidir. Bu geçiş bölgelerindeki meshin kontrolü çözüm yapılmadan önce kontrol edilerek düzenlenmelidir.

7) Parametrik Etütler

SOLIDWORKS Flow Simulation seçili akış parametrelerine ilişkin sonuçları (hedef olarak tanımlanır) elde etmek için seçili değişken parametrelerine göre değişen bir dizi hesaplama gerçekleştirmenize olanak tanır. Çalışmalarımızda ölçü verebildiğimiz herhangi bir parametre üzerinden ‘Olası-Neden Sonuç Analizi’ ile birlikte tasarımınızda bir değişlik yapmadan belirlediğimiz aralıktaki değerler üzerinden senaryolar oluşturarak çözümlemelerimizi yapabiliriz. Aynı şekilde belirlediğimiz sınır şartlarının farklı değerleri ile çözümlemeler yaparak etkilerini sonuç olarak görebiliriz.

Bir diğer seçenek olan ‘Hedef Optimizasyonu’ ile istenen seçili hedefin belirtilen hedef değerine eşit olacağı belirli bir parametre değerini elde etmek için yalnızca seçili bir değişken parametresine göre değişiklik yapmanıza olanak tanır.

8) Analiz Sonuçları

-Hedefler Sonuç Tablosu

-Mesh ve Hız Dağılımı Görünümleri

Çözümleme sonrasında sonuçlar sekmesinin altında kullanacağımız yardımcı görselleştirme komutları ile kesitlerdeki hız dağılımı, basınç dağılımı, akustik güç düzeyi gibi analizimizde çözümlediğimiz değerleri görselleştirerek inceleyebiliriz. Problar komutu ile kritik noktalardaki değerleri kolayca öğrenebilir ve raporlarınız için işaretleyebilirsiniz. Yüzey Parametreleri ile belirlediğimiz yüzeylerdeki değerleri kolayca Excel’de tablo haline getirebilirsiniz. Kısaca sonuçlarınızı hem sayısal değerler olarak hem renklendirilmiş grafikler olarak belirleyip raporlarınızda kullanabilirsiniz.

SONUÇ

Santrifüj pompa simülasyonu, zaman ve dikkat gerektiren karmaşık bir analizdir. Ancak doğru adımlarla SOLIDWORKS Flow Simulation bu analizi doğru bir şekilde gerçekleştirmemize olanak sağlayacaktır.