توضیحات
پروژه شبیه سازی روتور 37 ناسا برای کمپرسور محوری گذر صوتی در نرم افزار انسیس ANSYS CFX
Simulation of NASA 37 Rotor of an Axial Transonic Compressor in ANSYS CFX
کمپرسورهای محوری به عنوان یکی از اجزاء اصلی توربین های گازی در صنایع هوایی، دریایی و زمینی کاربرد فراوان داشته و نقش عمده ای را در رفع نیاز بشریت ایجاد می کنند. بنابراین طراحی آنها باید به شکلی باشد که راندمان و کارایی بالا و ناحیه ی عملکرد وسیعی داشته باشند و از منظر آیرودینامیکی به گونه ای نسبتا پایدار عمل کنند. کمپرسورها در بسیاری از صنایع از جمله صنایع هوایی، نیروگاههای تولید قدرت و صنایع شیمیایی کاربرد دارد. بر اساس نحوه عملکرد، کمپرسورها را می توان به دو گروه کمپرسورهای جابجایی مثبت و توربوکمپرسورها تقسیم نمود. در گروه اول، افزایش فشار كل بوسیله کاهش حجم سیال ایجاد می گردد. کمپرسورهای رفت و برگشتی و چرخشی از این دسته می باشد. گروه دوم کمپرسورها که با نام توربوکمپرسورها شناخته می شود، شامل یک سری از تیغه های دواره و گاهی به همراه تیغه های ثابت می باشد که با پوشش خارجی احاطه شده است و مقدار معینی از سیال در واحد زمان از میان آنها عبور می نماید. توربو-کمپرسورها که از انواع توربوماشین ها می باشد را می توان به سه دسته کمپرسورهای محوری، شعاعی و جریان مخلوط تقسیم نمود. جهت حرکت سیال در ورودی و خروجی کمپرسورهای محوری به موازات محور دوران می باشد. در کمپرسورهای شعاعی، مسیر جریان سیال در خروجی کمپرسور عمود بر محور دوران میباشد. در صورتی که ترکیبی از مؤلفه های محوری و شعاعی در گذرگاه های کمپرسور وجود داشته باشد، به آن کمپرسور جریان مخلوط اطلاق می گردد. اگر چه یک مرحله کمپرسور محوری معمولا نسبت فشار کمتری در مقایسه با کمپرسور شعاعی ایجاد می کند، لیکن بدلیل قابلیت جابجا کردن میزان سیال بیشتر با داشتن سطح مقطع ورودی یکسان، استفاده از این نوع کمپرسورها در موتورهای هوایی رایجتر می باشد. کمپرسورها به علت ایجاد گرادیان فشار مثبت، همواره در معرض وقوع ناپایداری های آئرودینامیکی شامل سرج و واماندگی گردان قرار دارند. این ناپایداری ها که مهمترین عامل محدود کننده عملکرد کمپرسور می باشد، با کاهش ناگهانی و قابل توجه فشار خروجی، علاوه بر ایجاد افت شدید در راندمان می تواند در شرایط بحرانی سازه و ایمنی سیستم را نیز با خطرات جدی مواجه سازد. در نتیجه، به منظور حذف و یا به تعویق انداختن ناپایداری ها از روش های کنترل فعال و غیرفعال استفاده می گردد.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی روتور 37 ناسا در نرم افزار انسیس ANSYS CFX انجام شده است. روتور 37 ناسا توسط مرکز تحقیقات لویس ناسا (NASA LEWIS RESEARCH CENTER) طراحی شده است و اطلاعات هندسی و شرایط عملکردی و داده های تجربی مرتبط با آن در مراجع یافت می شود. باوجود اینکه این روتور در حدود 20 سال پیش طراحی شده است، بااینحال به علت سطح عملکردی بالا و طراحی خوب هنوز در مراحل اولیه کمپرسور موتورهای هوایی کاربرد دارد. ناسا روتور 37 یک روتور کمپرسور محوری گذر صوتی ایزوله شده به حساب می آید که در ابتدا در یک تحقیق گسترده و به منظور پوشش بازه وسیعی از پارامترهای طراحی مربوط به موتورهای توربینی هواپیما با فشار بالای طبقه ورودی مورد استفاده قرارگرفت. از آنجایی که هندسه پره روتور 37 و نتایج تجربی تحلیل جریان حول آن موجود است و بررسی های متعددی بر روی این مورد خاص صورت گرفته است، از هندسه همین پره برای انجام تحلیل ها استفاده گردید.
هندسه مسئله:
مدل استفاده شده، روتور ناسا 37 برای کمپرسور محوری گذر صوتی می باشد. هندسه این روتور در نرم افزار سالیدورک و انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) طراحی و شبکه بندی آن در نرم افزار ANSYS ICEM CFD انجام شده است. درنهایت به منظور تحلیل عملکرد جریان بر روی پره از نرم افزار ANSYS-CFX استفاده شده است.
روتور 37 متشکل از 36 عدد پره است. نسبت فشار طراحی روتور 2.106 در دبی جرمی 20.188 kg/s می باشد. مقدار ماخ نسبی ورودی در ریشه 1.13 و در نوک پره 1.48 می باشد. همچنین سرعت طراحی نوک پره 454 m/s است. از دیگر مشخصات این روتور می توان به نسبت منظری 1.19 و نسبت شعاع ریشه به نوک 0.7 اشاره کرد. لقی نوک پره های این روتور 0.356 mm می باشد که برابر 0.5% از طول پره است.
مشخصات هندسی و شرایط کارکرد پره مذکور در جدول زیر ارائه شده است.
هندسه پره روتور ناسا ۶۷ در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل نمای جانبی روتور ناسا 37 به همراه مختصات صفحات اندازه گیری.
در این پروژه هندسه مسئله در نرم افزارهای سالیدورک(Solidworks) و انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) ترسیم شده است.
مش بندی و شبکه:
به منظور تولید شبکه از نرم افزار انسیسCFD ANSYS ICEM استفاده شده است.
شبیه سازی و حل:
به منظور شبیه سازی از نرم افزار ANSYS CFX استفاده شده است. نرم افزار ANSYS CFX برای حل عددی معادلات حاکم از روش حجم کنترل استفاده می کند. یعنی ابتدا حوزه حل به حجم های کنترل مجزا با استفاده از شبکه ی محاسباتی تقسیم می شود. سپس از معادلات حاکم بر روی حجم های کنترل برای ساخت معادلات جبری برای متغیرهای مجهول به صورت مجزا انتگرال گیری می کند. پس از آن، معادلات مجزا را خطی ساخته و آنها را تا رسیدن به مقادیر جدید متغیرها حل می کند. در صورتی که باقیمانده معادلات در پایان هر تکرار از حل، معیار همگرایی را برآورده کند، حل متوقف می شود. در غیر این صورت از مقادیر به دست آمده برای مرحله ی بعد استفاده می شود. پس از شبکه بندی، می بایست مدل شبکه بندی شده را وارد محیط نرم افزار ANSYS-CFX نمود و اطلاعات مربوط به پره ها، نوع سیال مورد استفاده و در نهایت شرایط مرزی و مدل توربولانسی را تنظیم نمود.
نمونه نتایج شبیه سازی:
