CFD Application in Turbomachinery Industries
توربوماشین‌ها، ماشین‌های دواری هستند که بواسطه جریان عبوری از روتورها(ایمپلرها) انرژی را از صورتی به صورت دیگر تبدیل می‌کنند. درواقع توربوماشین‌ها، ماشین‌های دوار مبدل انرژی هستند. گستره کاربرد توربوماشین‌ها بسیار وسیع و انواع آن‌ها نیز بسیار متنوع است. صنایع توربوماشین جزء صنایع پایه و مادر محسوب می‌شودچرا که تقریبا در تمامی صنایع، توربوماشین‌ها نقش اصلی و یا حداقل پررنگی دارند. بطور کلی توربوماشین‌ها را می‌توان به چهار دسته اصلی فن‌ها، پمپ‌ها، کمپرسورها و توربینها تقسیم کرد.
کاربرد CFD در طراحی و توسعه فن‌ها
فن‌ها یک ماشین الکتریکی هستند که انرژی الکتریکی را به انرژی جنبشی تبدیل می‌کنند. سیال عامل این نوع دستگاه‌ها، گاز و عمدتا از نوع هوا می‌باشد. از این نوع وسیله عموما برای خنک کاری و گردش هوای بمنظور تهویه مطبوع استفاده می‌کنند. لازم به ذکر است ملخ‌های انواع هواپیماهای پیستونی و توربوپراپ و بخش اول دوار ورودی هوا (فن) به موتوهای توربوفن را نیز می‌توان در دسته‌بندی فن‌ها قرار داد. فن‌ها از یک بخش دوار با عناوین مختلفی همچون پروانه، ایمپلر، روتور و غیره تشکیل شده‌اند و بسته به نوع کاربردشان می‌توانند محوری، شعاعی و یا ترکیبی باشند.
تراکم پذیری، آشفتگی، دورانی و تک فازی از مهمترین ویژگی‌های جریان حاکم بر فن‌ها می‌باشد هر چند در مواردی تراکم پذیر بودن جریان در فن‌ها (مثل جریان عبوری از ملخ هواپیما و فن موتورهای توربوفن) نیز به این ویژگی‌ها اضافه می‌شود و پایا بودن جریان هم معمولا فرض قابل قبولی است. بطور کلی مهمترین کاربردهای CFD در طراحی وتوسعه جریان عبارتند از:
-شبیه‌سازی و مطالعه رفتار جریان‌های دورانی آشفته عبوری از فن‌ها با استفاده از متدها و مدل‌های آشفتگی متنوع
-اشتفاده از شرایط مرزی پریودیک برای کاهش حجم محاسبات فن‌های محوری (در صورتیکه متقارن محوری باشند)
-مطالعه، بررسی و بهینه سازی طراحی سطح مقطعه (ایرفویل) تیغه‌های (Blades or Vanes) فن
-مطالعه، بررسی و بهینه سازی طراحی شکل تیغه همراه با زوایای نصب (Incidence Angle) و پیچش (Twist Angle)
-مطالعه، بررسی و بهینه سازی کل شکل فن از قبیل تعداد تیغه‌ها و ابعاد آن‌ها
-مطالعه و بررسی اثرات فن روی رفتار سیالاتی کل سیستم
کاربرد CFD در طراحی و توسعه پمپ‌ها
پمپ دستگاهی است که انرژی معمولا انرژی الکتریکی و در مواردی خاص انرژی مکانیکی(مثل پمپ‌های پیستونی) را به انرژی سیال (تغییر فشار آن ) تبدیل می‌کند. سیال عامل پمپ‌ها مایع است. دسته بندی پمپ‌ها بسیار متنوع است و خارج از حوصله اینجاست و تنها به معرفی آن‌ها پرداخته شده است.
جریان‌های آشفته، تراکم ناپذیر، دورانی مهمترین جریان‌های حاکم در پمپ‌ها هستند. البته برای پمپ‌های رفت و برگشتی شاهد جریان دورانی نیستیم. نکته مهم اما در جریان مایعات در پمپ‌ها همانند پمپ‌های آب پدیده کاویتاسیون است که بر خوردگی ایمپلرها بسیار تأثیر گذار است. با توضیحات فوق می‌توان گفت که موارد استفاده از CFD در طراحی و توسعه پمپ‌ها عبارتند از:
-محاسبه دبی، میدان‌های سرعت و فشار در کل فضای پمپ از جمله مرزهای خروجی
-مطالعه و بررسی عملکرد کیفی و کمی ایمپلرها
-شبیه سازی جریان دوفازی (کاویتاسیون) و بررسی اثرات آن بر خوردگی و عمر مفید ایمپلرها
-استخراج منحنی عملکرد پمپ‌ها تحت شرائط کارکردی متفاوت
-بهینه سازی عملکرد ایمپلرها
کاربرد CFD در طراحی و توسعه کمپرسورها
کمپرسورها تجهیزاتی هستند که با استفاده از انرژی مکانیکی فشار و دمای گازها را افزایش و حجم آن‌ها را کاهش می‌دهند. برخلاف پمپ‌ها، سیال عامل کمپرسورها از نوع گاز و عمدتا هوا می‌باشد. اواع موتورهای جت، کابین هواپیمای تحت فشار، انتقال گاز طبیعی از طریق خط لوله، ذخیره‌سازی گازهای خالص در حجم‌های کوچک، جابجایی حرارت در سیستم‌های تبرید، ذخیره هوا در زیردریایی‌ها و تهیه هوای فشرده برای ترمزهایی که با هوا کار می‌کنند از مهمترین مواردی هستند که نقش کمپرسورها در آن‌ها حیاتی است.
تراکم پذیری، آشفتگی، دوران و ناپایایی از خصوصیات بارز جریان در کمپرسورهاست. لازم به ذکر است که تراکم پذیری خود موجب بروز انتقال حرارت و تغییرات دمای سیال نیز می‌شود. با استفاده از روش‌های مختلف CFD، تمامی رژیم‌های حاکم بر جریان در کمپرسورها قابل شبیه سازی است. اما مهمترین اهداف استفاده از CFD در این نوع دستگاه‌ها عبارتند از:
-شبیه سازی و حل میدان جریان همراه با محاسبه سرعت، فشار، دما و آنتالپی در کل کمپرسور
-پیش بینی میزان افزایش فشار برای هر ردیف (Stage) و تخمین نسبت فشار کل کمپرسور
-مطالعه، بررسی عملکرد و بهبود طراحی مقاطع تیغه‌های (ایرفویلهای) ردیف‌های مختلف کمپرسور
-مطالعه، بررسی عملکرد و بهینه سازی طراحی تیغه‌ها از جمله زاویه نصب و پیچش
-بررسی اندرکنش روتور و استاتور در هر ردیف از کمپرسورهای محوری
-بهینه سازی طراحی هر ردیف از کمپرسورهای محوری (تعداد و شکل تیغه‌های رتور و استاتور)
-بهینه سازی شکل پوسته، خروجی‌ها و ردیف تیغه‌ها برای رسیدن به حداکثر نسبت فشار در کمپرسورهای شعاعی
کاربرد CFD در طراحی و توسعه توربینها
برخلاف فن‌ها، پمپ‌ها و کمپرسورها، توربینها از جریان سایل انرژی می‌گیرند. توربینها را از لحاظ کارکردی می‌توان به توربینهای ضربه‌ای (Impulse Turbines) و توربینهای واکنشی (Reaction Turbines) دسته بندی نمود. همچنین تنوع آن‌ها از لحاظ سیال عامل نیز متنوع می‌باشد. گازهای متراکم، بخار آب، آب و هوا متداولترین سیالات عامل در توربینها به شمار می‌روند. از این رو توربینها را می‌توان به انواع مختلف توربینهای گازی، بخار، آب و باد تقسیم بندی نمود. رژیم‌های جریان حاکم بر هر یک از توربینهای فوق متفاوت است و در نتیجه روش‌های شبیه سازی آن‌ها متفاوت می‌باشد.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد انواع و ساختار توربین کلیک کنید.
توربینهای گاز
بیشترین کاربرد توربینهای گار در انواع موتورهای جت است که مجموعه‌ای از فن (برای موتورهای توربوفن)، کمپرسور، محفظه احتراق، توربین، نازل و شفت (برای موتورهای توربروپراپ) می‌باشند. همچنین نیروگاه‌های گازی براساس بهره‌گیری از توربینهای گاز تأسیس می‌شوند! توربینهای مافوق صوت (Supersonic)، گذرصوتی (Transonic)، چرخش متضاد (Contra-Rotating)، بدون استاتور (Statorless)، سرامیکی (Ceramic)، شراد دار (Shrouded)، بدون شراد (Shroudless) و بدون پره (Bladeless) یا همان توربینهای تسلا (Tesla Turbines) از انواع مختلف توربینهای گازی می‌باشند. برای کسب اطلاعات بیشتر اینجا را کلیک کنید.
تراکم پذیری، آشفتگی، دورانی و تک فازی مهمترین ویژگی‌های جریان‌های حاکم بر توربینهای گازی هستند. بنابراین با استفاده از روش‌ها و نرم‌افزارهای مختلف CFD شبیه‌سازی، مطالعه و بررسی رفتار و عملکرد این نوع دستگاه‌ها امکان‌پذیر است. مهمترین کاربرد CFD در طراحی و توسعه توربینهای گازی عبارتند از:
-حل میدان جریان حول مقاطع تیغه‌های روتور و استاتور توربین و مطالعه و بررسی عملکرد آن‌ها همراه با بهینه سازی شکل آن‌ها
-حل میدان جریان حول تیغه‌های روتور و استاتور با در نظر گرفتن اندرکنش آن‌ها با یکدیگر و بهینه سازی شکل و طراحی هر ردیف (Stage)
-شبیه سازی و حل میدان جریان و پیش‌بینی مقادیر میدان‌های فشار و سرعت عبوری از توربین
-مطالعه و بررسی امواج شاک (Shock Wave) بر عملکرد تیغه‌ها و توربینها و بارکذاری آئرودینامیکی تیغه‌ها (برای توربینهای مافوق صوت)
-شبیه سازی انتقال حرارت و خنک کاری تیغه‌های روتور توربین
توربینهای بخار
اصلی‌ترین کاربرد توربینهای بخار در نیروگاه‌های حرارتی و سیکل ترکیبی با نیروگاه‌های گازی می‌باشد. علاوه بر مسائل دینامیک گاز، ظهور قطرات آب و بحث پدیده خوردگی از مهمترین مسائل مطرح در اینگونه توربینها می‌باشد. جریان‌های تراکم پذیر، آشفت، دوران و چندفازی مهمترین جریان‌های حاکم بر توربینهای بخار بشمار می‌روند. با توجه به توسعه علوم محاسباتی در دینامیک سیالات محاسباتی، موارد زیر مهمترین کاربردهای CFD در طراحی و توسعه توربینهای بخار می‌باشد.
-حل میدان جریان حول مقاطع تیغه‌های روتور و استاتور توربین و مطالعه و بررسی عملکرد آن‌ها همراه با بهینه سازی شکل آن‌ها
-حل میدان جریان حول تیغه‌های روتور و استاتور با در نظر گرفتن اندرکنش آن‌ها با یکدیگر و بهینه سازی شکل و طراحی هر ردیف (Stage)
-شبیه سازی و حل میدان جریان و محاسبه میدان‌های فشار و سرعت عبوری از توربین
-شبیه سازی انتقال حرارت و خنک کاری تیغه‌های روتور توربین
-شبیه سازی تشکیل قطرات آب با استفاده از مدل‌های دو فازی مبتنی بر Wet Steam
-مطالعه و بررسی اثرات قطرات بر عملکرد و طول عمر پره‌های توربین
توربینهای آبی
یکی از متنوع ترین توربینها از لحاظ شکل ظاهری توربینهای آبی است. توربینهای محوری (Kaplan، Propeller)، توربینهای شعاعی (Francis)، توربین های ترکیبی ورودی شعاعی – خروجی محوری (Francis) و توربینهای جریان مماسی (Pelton) از مهمترین انواع توربینهای آبی هستند.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد انواع توربینهای آبی کلیک کنید.
توربینهای آبی برخلاف توربینهای گازی و بخار، معمولا از یک ردیف روتر تشکیل شده‌اند. در این نوع توربینها جریان‌های تراکم ناپذیر، دوفازی همراه با کاویتاسیون، آشفته و دورانی حاکم هستند. در طراحی و بهینه سازی چنین تجهیزاتی، استفاده از CFD در مسائل زیر بسیار مفید است.
-حل میدان جریان حول مقاطع تیغه‌های روتور توربین و مطالعه و بررسی عملکرد همراه با بهینه سازی شکل آن‌ها
-شبیه سازی و حل میدان جریان در کل توربین و استخراج میدان‌های فشار و سرعت
-شبیه سازی جریان دو فازی مبتنی بر کاویتاسیون با استفاده از مدل‌های دو فازی مناسب
-مطالعه و بررسی اثرات کاویتاسوین بر عملکرد، خوردگی و طول عمر پره‌های توربین
توربینهای بادی
امروزه وظیفه اصلی توربینهای بادی، تبدیل انرژی باد به انرژی مکانیکی و تولید الکتریسیته می‌باشد. همانند توربینهای آبی، توربینهای بادی نیز اشکال متنوعی دارند و به دو دسته کلی محور افقی (HAWT)و محور عمودی (VAWT) تقسیم می‌شوند. ساختار و نمونه‌هایی از توربینهای باد در چارت زیر نشان داده شده است.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد انواع توربینهای بادی کلیک کنید.
مشخصه‌های مهم جریان حاکم بر توربینهای بادی شامل تراکم ناپذیری، تک فازی، آشفتگی و دورانی می‌باشند. از CFD می‌توان در حل مسائل مهندسی زیر استفاده نمود.
-بارگذاری آئرودینامیک (محاسبه توزیع فشار) روی پره‌های توربین برای طراحی سازه
-بارگذاری آئرودینامیکی وارد بر پایه‌های توربینهای باد برای طراحی سازه
-مطالعه و بررسی عملکرد ایروفیل‌های پره‌های توربین و بهینه سازی آن‌ها
-مطالعه و بررسی عملکرد کل توربین باد
-استخراج نمودار عملکردی توربینهای باد نسبت به شرائط کارکردی آن‌ها
برای کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید
محمدرضا کلیچ