TurkCADCAM.net > Yeni ürün tasarım, geliştirme, CAD/CAM/CAE, CNC, kalıp ve imalat teknolojileri

2. KATI MODELLEME ve SAYISAL AĞ ÇALIŞMALARI

Çalışmada öncelikle orijinal durumun analizi yapılmış ve yapılan iyileştirmelerin etkileri bu modele göre değerlendirilmiştir. Orijinal pompanın katı modeli elimizde olmadığı için ilk olarak halihazırda üretilen bir pompa geometrisi INFOTRON firması tarafından taranmış ve katı model haline dönüştürülmüştür. Daha sonra bu katı model baz alınarak analizlerde kullanılacak olan akış hacmi oluşturulmuştur. Katı model hazırlama ve akış hacmini elde etme adımları her yeni iyileştirme için tekrar yapılmıştır. Katı model çalışmalarının hepsi sayın Cüneyt Yıldız tarafından yapılmıştır. Şekil 1'de orijinal durumun taranması sonucu elde edilmiş katı model ve bu model kullanılarak elde edilmiş akış hacmi görülebilir.

Şekil 1. Orijinal rotor ve stator geometrileri ve akış hacmi

Bir HAD analizinin yapılabilmesi için katımodeli bulunan akış hacminin sonlu sayıda ufak parçalara bölünmesi gerekmektedir. Bu işleme sayısal ağ oluşturma işlemi sonucunda oluşan modele de sayısal ağ veya sayısal model denir. Bu parçaların (elemanlar) sayısı ne kadar küçük ise sonuçlar o kadar hassas olur. Ancak bu parçaların sayısı analiz süresine de doğrudan etki eder. Bu nedenle yüksek gradyenlerin olduğu bölgerde yoğun diğer bölgelere daha seyrek elemanlar kullanılarak optimum bir sayı bulunmak zorundadır. Yapılan analizlerin tümünde eleman saysı kademe başına 850.000 civarında alınmıştır. Yüksek gradyenlerin beklendiği kanat yakınlarında daha ufak kanatlardan uzak bölgelerde daha büyük elemanlar kulanılmıştır. Orijinal durum için oluşturulmuş sayısal ağa bir örnek Şekil 2'de görülebilir.

Şekil 2. Orijinal pompa için hazırlanmış sayısal ağdan bazı görünüşler

İyileştirme işlemleri sırasında toplam 8 ayrı model kullanılmıştır. Bu modellerin her birinde farklı sadece tek değişiklik yapılmış ve bunun sonucu gözlenmiştir. Her bir iyileştirme işlemi için katı model ve sayısal ağ yeniden hazırlanmıştır.

3. ANALİZ ÇALIŞMALARI

Sayısal ağ tabakası oluşturulduktan sonra sıra sınır şartlarının tanımlanmasına ve çözüm ayarlarının yapılmasına gelir. Burada dikkat edilmesi gereken birçok husus vardır. Bunlardan başlıcaları sayısal model sınırlarında kullanılacak sınır şartları ve arka planda yapılacak hesaplamalar için kullanılacak sayısal yöntemlerdir. Model sınırları Şekil 3' te görülebilir. Bütün modellerde benzer sınırlar kullanılmıştır.

Şekil 3. Model sınırları

Giriş sınırında pressure-inlet sınır şartı kullanılmış ve değer olarak da 0 pa girilmiştir.
Çıkış sınırında pressure-outlet sınır şartı kullanılmıştır. Burada ki değerler analizin amacına göre değişkenlik göstermektedir. İyileştirme çalışmaları sırasında sağlıklı bir karşılaştırma yapılabilmesi için çıkışlarda 16.3 m basma yüksekliğine karşılık gelen 159615 pa değeri girilmiştir. Nihai geometriye karar verildikten sonra orijinal durumla son durumun performans eğrilerinin karşılaştırılabilmesi için 7,5 m ile 20 m arasında değişik basma yüksekliklerine karşılık gelen geri basınç değerleri kullanılmıştır.

Rotorun dönüşünü modelleyebilmek için Moving Reference Frame yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemde rotorun dönme hızı ve dönüş ekseni verilerek dönme etkileri modellenebilmektedir. Yapılan analizlerde rotorun dönme hızı için 2890 devir/dakika değeri girilmiştir.

Modellerin her biri birçok duvar sınır şartı da içermektedir. Duvarlardan rotora ait olanların rotor ile aynı eksen etrafında ve aynı hızda döndüğü, diğerlerinin ise durduğu kabul edilmiştir. Ayrıca tüm duvarlara 0,1 mm ortalama pürüzlülük yüksekliği ve 0,3 pürüzlülük katsayısı tanımlanmış böylece pürüzlülük etkisi de hesaba katılmıştır.

Sınır şartlarının yanı sıra hassas bir sayısal çözüm alabilmek için çözüm sırasında kullanılacak sayısal yöntemlerinde uygun seçilmesi gerekmektedir. Akışın türbülanslı olup olmadığı, mazleme özellikleri ve çözücü ayarlarının doğru olarak belirlenmesi analizin hassasiyeti açısından oldukça önemlidir.

Analizlerin tümünde Standart K-Epsilon türbülans modeli kullanılmıştır. Momentum ve türbülans denklemleri ikinci dereceden yaklaşımlar kullanılarak ayrıklaştırılmıştır. Bu şekilde daha hassas bir sonucun alınması amaçlanmıştır.

Analizler sırasında malzeme olarak su kullanılmıştır. Suyun yoğunluğu 998,2 kg/m3, viskozitesi ise 0.001003 kg/m.s olarak alınmıştır

4. SONUÇLAR ve DEĞERLENDİRMELER

Çalışmada ilk olarak orijinal durumun analizi yapılmıştır. Yapılan analiz modelin içinde her noktadaki hız ve basınç gibi değerleri verdiğinden pompa içindeki akışı detaylı olarak incelemek mümkün olmuştur. Orijinal durumun analizi sonucu rotor ve stator içerisindeki bölgelerde elde edilen hız vektörleri Şekil 4 ve Şekil 9'da görülmektedir.Yapılan incelemelerden ana problemin statorda olduğu, rotorun nispeten yüksek performanslı çalıştığı belirlenmiştir. Bu durum hız vektörleri incelenerek de anlaşılabilir. Bu nedenle iyileştirme çalışmalarının hepsi stator geometrisi üzerinde yapılmıştır. Toplamda 8 ayrı model denenmiş ve hepsi için analizler yapılarak yapılan değişikliklerin benzer çalışma şartları altında performansı ne kadar değiştirdiği belirlenmiştir. Değişikliklerde genel olarak stator hub ve casing geometrisiyle oynanıştır. Son olarak kanat geometrisi de değiştirilerek en yüksek performans elde edilebilmiştir.


Şekil 4. Rotor hub geometrisinin 3 mm üstünde bulunan bir yüzey üzerindeki göreceli hız vektörleri. Renklendirme hız büyüklüğüne göre (m/s) yapılmıştır.	Şekil 5. Rotor hub geometrisinin 6 mm üstünde bulunan bir yüzey üzerindeki göreceli hız vektörleri. Renklendirme hız büyüklüğüne göre (m/s) yapılmıştır.


Şekil 6. Rotor hub geometrisinin 10 mm üstünde bulunan bir yüzey üzerindeki göreceli hız vektörleri. Renklendirme hız büyüklüğüne göre (m/s) yapılmıştır.	Şekil 7. Stator hub geometrisinin 3 mm üstünde bulunan bir yüzey üzerindeki hız vektörleri. Renklendirme hız büyüklüğüne göre (m/s) yapılmıştır.


Şekil 8. Stator hub geometrisinin 6 mm üstünde bulunan bir yüzey üzerindeki hız vektörleri. Renklendirme hız büyüklüğüne göre (m/s) yapılmıştır.	Şekil 9. Stator hub geometrisinin 10 mm üstünde bulunan bir yüzey üzerindeki hız vektörleri. Renklendirme hız büyüklüğüne göre (m/s) yapılmıştır.

Şekil 7 ve Şekil 9'dan da anlaşılabilceği üzere stator içindeki bir bölgede ciddi bir akım ayrılması belirlenmiştir. Bu ayrılmanın sebebinin stator kesitindeki ani ve oransız genişlme olduğu belirlenmiştir. Bu nedenle ilk olarak stator hub ve casing geometrisi düzeltilmeye çalışılmıştır. Bunun için değişik 2 boyutlu analizler yapılıp bir hub ve casing geometrisi belirlenmiş ve daha sonra bu geometri 3 boyutlu analizde kullanılmıştır.