7. Badania numeryczne CFD
7.2. Numeryczna analiza pracy wirnika promieniowego w podstawowej zabudo- zabudo-wie osiowej
Modelowaniu i ocenie poddano wirnik F2 w zabudowie kanałowej jak na rysunku 7.9. W konstrukcji założono, że pole przepływu pomiędzy tarczą tylną, a zabudową kanałową (pierścień) jest równe polu wylotu z wirnika. Kształt leja wlotowego zachowano z konfiguracji zabudowy spiralnej.
Rys.7.9. Wirnik F2 w zabudowie osiowej (F2_K_CFD)
Uproszczoną geometrię, poddano dyskretyzacji i opisowi z zachowaniem procedur wypracowanych na modelu referencyjnym. Na rysunku 7.10 pokazano warunki brzegowe zadane na przedmiotowy model.
Rys.7.10. Wybrane warunki brzegowe i początkowe dla wirnika w zabudowie osiowej
W wyniku przeprowadzonej symulacji dla zmiennego strumienia masy na wlocie uzyskano charakterystykę przepływową. Charakterystykę tę zestawiono z wentylatorem
refe-S t r o n a | 117
rencyjnym i zaprezentowano na rysunku 7.11. Dodatkowo na wykresach wprowadzono wyni-ki z pomiarów bilansowych (rozdział 5) dla wentylatora F2_K40. Porównanie wyniku z tą charakterystyką dodatkowo potwierdza poprawność modelu obliczeniowego. Symulowany wentylator kanałowy ma nieco mniejsza średnice kanału niż zabudowa K40, dodatkowo kon-strukcje różnią się wlotem do wirnika, to wszystko przekłada się na różnicę w przebiegu krzywych.
a) b)
Rys.7.11. Charakterystyki pracy modelowanego wentylatora kanałowego - porównanie
Oczywistym wnioskiem jest, że kształt zabudowy kanałowej znacząco pogarsza osiągi wentylatora. Interesująca natomiast jest jakościowa analiza przepływu dla badanej konstrukcji kanałowej, która nie mogła być przebadana eksperymentalnie ze względu na ograniczenia stosowanych metod pomiarowych.
Na kolejnych rysunkach zaprezentowano struktury przepływowe w przekroju osio-wym badanego wentylatora kanałowego. Na rysunku 7.12 przedstawiono rozkład wektorowy prędkości, w oparciu o który wyznaczono średnie linie prądu zaprezentowane na rysunku 7.13. Nagłe rozszerzenie za wirnikiem i brak elementów kształtujących przepływ oraz oddzia-ływanie tylnej ściany wirnika, prowadzi do powstawania dwóch wirów o przeciwnych kie-runkach wirowania. Wiry mają kształt eliptyczny o rozmiarach 150/300 mm. Prędkość cząstki na średnicy wiru 150 mm wynosi około 11m/s, co daje prędkość kątową wiru równą około 150 rad/s. Wartość ta odpowiada ½ prędkości kątowej wirnika. Z rozkładu prędkości bezpo-średnio wynika rozkład ciśnienia zamieszczony na rysunku 7.14.
Badani a nu mer yc zne C FD
S t r o n a | 118
Rys.7.13. Średnie linie prądu w przekroju osiowym wentylatora F2 w zabudowie kanałowej
Rys.7.14. Rozkład ciśnienia statycznego w przekroju osiowym wentylatora F2 w zabudowie kanałowej
W obszarze przed wirnikiem powstają struktury wirowe transportujące powietrze do przecieku wolumetrycznego. Przeciek ten był uwzględniany w modelach numerycznych za pomocą interfejsu typu „frozen rotor” pomiędzy obrotową domeną wirnika, a stacjonarną obudową [6,7,93]. Na podstawie otrzymanych wyników wyznaczono sprawność wolume-tryczną (objętościową) zdefiniowaną równaniem (7.9):
𝜂𝑉 = 𝑚̇𝑖𝑛
𝑚̇𝑖𝑛+ 𝑚̇𝑝 (7.9)
gdzie:
𝜂𝑉 ˗ sprawność wolumetryczna,
𝑚̇𝑖𝑛 ˗ strumień masy powietrza na wlocie do wentylatora (z warunku brzegowego), 𝑚̇𝑝 ˗ strumień masy powietrza przeciekającego.
Otrzymane wyniki ujęto w formie wykresu na rysunku 7.15. Należy zaznaczyć, że ba-danie przecieku przez szczelinę wentylator-lej wlotowy jest wyjątkowo trudne, a klasycznymi metodami pomiarowymi (zwężki, rurki spiętrzające) niemożliwe.
Na kolejnych stronach (rysunki 7.16 ÷ 7.18) zestawiono analizę przepływu w przekroju poprzecznym wirnika i obudowy, przechodzącym przez środek krawędzi spływu z łopatki. Wyniki porównano dla 6 punktów pracy wentylatorów w dwóch układach pracy, tj. zabudowie kanałowej (rysunki „a”) i zabudowie spiralnej (rysunki „b”). W każdym zestawie poprzez wyróżnienie zaznaczono około optymalny punkt pracy, który odpowiednio dla zabu-dowy kanałowej wynosi 0,52 kg/s i dla zabuzabu-dowy spiralnej 0,72 kg/s. Na rysunku 7.16(a,b) zestawiono rozkład ciśnień statycznych, na rysunku 7.17(a,b) rozkłady prędkości względnej, a na rysunku 7.18(a,b) średnie linie prądu.
S t r o n a | 119
Rys.7.15. Sprawność wolumetryczna wyznaczona na podstawie wyników numerycznych
Porównując wyniki dla zabudowy kanałowej i spiralnej można stwierdzić, że zarówno rozkłady ciśnień jak i prędkości dla optymalnych punktów pracy są symetryczne (jednakowe na całym obwodzie wirnika). W przypadku wentylatora kanałowego ta sytuacja nie zmienia się dla pozostałych punktów pracy. W przypadku zabudowy spiralnej dla przepływów nad optymalnych tworzą się obszary lokalnego przyrostu ciśnienia w okolicach początku spirali. Sytuacja ta powoduje niesymetryczny rozkład ciśnienia w wirniku, a obszar niskich ciśnień pojawia się w części wirnika i strefie wylotowej z obudowy spiralnej. W przypadku przepły-wów pod optymalnych dla spirali asymetria rozkładu ciśnień powtarza się, z tą różnicą, iż obszary najniższych ciśnień przenoszą się do komory wlotowej wirnika.
Porównując profile prędkości i średnie linie prądu podobnie jak przy ciśnieniach sta-tycznych, obudowa spiralna wprowadza większe zaburzenia w kształtowaniu pola prędkości i przepływ poza optymalnym punktem pracy. Przepływ staje się bardzo szybko osiowo asy-metryczny, co jest niepożądane w pracy wirników. Przepływ względny generuje naprężenia styczne na łopatkach pochodzące od sił lepkości, naprężenia normalne z kolei pochodzą od ciśnienia statycznego. Dodając siły wypadkowe pochodzące od naprężeń stycznych i normalnych działające na palisadę łopatkową w przypadku obudowy spiralnej tylko w optymalnym punkcie pracy, otrzymuje się stan równowagi statycznej z centralnym ukła-dem sił i ich momentów. Brak symetrii w rozkładzie ciśnień i prędkości względnych dla sta-nów nie obliczeniowych powoduje nierównomierne obciążenie wirnika i wału maszyny oraz sprzyja generowaniu drgań i pogorszeniu sprawności ogólnej wentylatora. Ma to również negatywny wpływ na akustykę maszyny.
Korzystniej pod względem równowagi przepływu wypada zabudowa kanałowa, gdzie symetria przepływu, a tym samym równowaga sił utrzymuje się w znacznie większym zakre-sie charakterystyki. Problemem natomiast jest wysoka składowa obwodowa w przepływie za wirnikiem i brak jej właściwego wyhamowania.
Badani a nu mer yc zne C FD
S t r o n a | 120
0,82 kg/s 0,72 kg/s 0,52 kg/s
0,32 kg/s 0,12 kg/s 0,02 kg/s
Rys.7.16a Rozkłady ciśnień w przekroju poprzecznym wentylatora F2 w obudowie kanałowej
(b2=50%) dla modelowanych punktów pracy
0,92 kg/s 0,72 kg/s 0,52 kg/s
0,32 kg/s 0,12 kg/s 0,02 kg/s
Rys.7.16b Rozkłady ciśnień w przekroju poprzecznym wentylatora F2 w obudowie spiralnej (b2=50%) dla modelowanych punktów pracy
S t r o n a | 121
0,82 kg/s 0,72 kg/s 0,52 kg/s
0,32 kg/s 0,12 kg/s 0,02 kg/s
Rys.7.17a Rozkłady prędkości względnej w przekroju poprzecznym wentylatora F2 w obudowie
kana-łowej (b2=50%) dla modelowanych punktów pracy
0,92 kg/s 0,72 kg/s 0,52 kg/s
0,32 kg/s 0,12 kg/s 0,02 kg/s
Rys.7.17b. Rozkłady prędkości względnej w przekroju poprzecznym wentylatora F2 w obudowie
Badani a nu mer yc zne C FD
S t r o n a | 122
0,82 kg/s 0,72 kg/s 0,52 kg/s
0,32 kg/s 0,12 kg/s 0,02 kg/s
Rys.7.18a Średnie linie prądu zrzutowane na przekrój poprzecznym wentylatora F2 w obudowie
kana-łowej (b2=50%) dla modelowanych punktów pracy
0,92 kg/s 0,72 kg/s 0,52 kg/s
0,32 kg/s 0,12 kg/s 0,02 kg/s
Rys.7.18b. Średnie linie prądu zrzutowane na przekrój poprzecznym wentylatora F2 w obudowie
S t r o n a | 123
Na rysunku 7.19 przedstawiono wartość składowej obwodowej w przepływie około 40 cm za wirnikiem. Brak odpowiedniego układu dyfuzorowego prowadzi do dyssypacji energii niesionej przez wir.
Rys.7.19. Rozkład składowej obwodowej względem średnicy obudowy kanałowej
W wentylatorach spotyka się rozwiązania mające na celu wyhamowanie wiru. Przy-kład stosowanego rozwiązania pokazano na rysunku 7.20. Z przeprowadzonych badań wyni-ka, że rozwiązanie to nie wpływa w znaczący sposób na poprawę sprawności wentylatora.
a) b)
Rys.7.20. Przykładowy układ prostowania strugi za wirnikiem
Wobec stwierdzonych wad i zalet obudowy kanałowej autor podjął próbę opracowania kierowniczego kolektora promieniowo-osiowego, który zapewni osiągi na poziomie zabudo-wy spiralnej. Wyniki prac przedstawiono w kolejnym rozdziale.
S t r o n a | 135