Radyal fan salyangozunun fan performansına etkilerinin HAD yardımı ile incelenmesi
Investigation of effect of radial fans scroll housing to the performance of fan with using CFD
Yazar: MERT GÜNEY
Danışman: YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Radyal fanlar soğutma, havalandırma, iklimlendirme, toz toplama, kurutma gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Çamaşır kurutma makinalarında, proses havasının sirküle edilmesinde kullanılan radyal fanlar sistemin önemli bir parçasıdır. Çamaşırlar üzerinden nemi alan, kondenserde ısıtılımış nem tutma kapasitesi yüksek olan hava, radyal fan yardımı ile tambur içerisinden geçirilmektedir. Bu nedenle, radyal fanlar, kurutma işleminin gerçekleştirilmesi için en önemli komponentlerdendir.
Tez çalışması kapsamında, çamaşır kurutma makinasında kullanılan radyal fanın, eşanjör sonrasından tambur girişine kadar olan hava kanalları ile beraber HAD analizi yapılmıştır. Salyangoz parametreleri belirlenerek debi ve basınç katsayılarının değişimi incelenmiştir.
Radyal fanın, hava kanalları ile beraber modellenmesinde, sonlu hacimler yöntemiyle çözüm yapan Fluent 14.5 isimli HAD kodu kullanılmıştır. Çözümler sürekli hal kabulü çerçevesinde yapılmıştır. Rotor-stator etkileşiminin modellenebilmesi için, sürekli hal ile yapılan çözümlerde kullanılan yöntemlerden biri olan duran rotor (MRF) yöntemi kullanılmıştır.
Yapılan HAD analizlerinin çözüm ağından bağımsız olması için yapılan çözüm ağı bağımsızlığı çalışması sonucunda, analiz sonucunun 1290000 çözüm ağı sayısından sonra %0,8 değiştiği görülmüştür. Bu değişim ihmal edilebilir düzeyde olduğu için, türbülans modeli seçimi ve parametrik çalışmalarda kullanılan çözüm ağı konfigürasyonu 1290000 kadar çözüm ağı olacak şekilde modelleme yapılmıştır.
Akışın doğası gereği oluşan türbülansın modellenmesinde, Fluent 14.5 Had kodu içerisinde bulunan türbülans modelleri denenerek deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Kullanılan türbülans modelleri sırası ile Spalart-Allmaras türbülans modeli, standart k-ε türbülans modeli ve SST k-ω türbülans modelidir. Spalart-Allmaras modeli türbülans için sadece bir transport denklemi çözerken, diğer modeller iki adet türbülans transport denklemi çözmektedir. Her bir türbülans modeli ile mevcut geometri üzerinden yapılan analizlerde, deneysel verilerle uyum ve çözüm süresi göz önünde bulundurulmuştur. 
AMCA 210-07 standardına göre hazırlanmış rüzgar tünelinde yapılan ölçümlerden elde edilen basınç-debi karakteristik eğrisi mevcut geometri için üç farklı türbülans modeli ile yapılan çözümlerle de elde edilmiştir. Her bir türbülans modeli ile yapılan sonucun, deneysel yollar ile elde edilen karakteristik eğrinin trendinde olduğu görülmüştür. Ancak diğer modeller ile karşılaştırıldığında, en düşük hata payları SST k-ω modelinde olmuştur. Ayrıca deneysel olarak, rüzgar tüneli ölçümlerinin yanında PIV ölçümleri de yapılmıştır. Giriş ve çıkış ağzının atmosfere açık olduğu durum için yapılan PIV çalışmasının sonucunda rotor çevresindeki hava kanalı içerisindeki hız dağılımı ve hız vektörleri elde edilmiştir. Deneysel olarak elde edilen hız alanı da HAD ile elde edilen hız alanı ile benzer çıkmıştır.
Tez kapsamında denenen türbülans modelleri ile yapılan HAD analizlerinin çözüm süresi olarak bakıldığında, Spalart-Allmaras modelinin tek bir türbülans transport denklemi çözmesi nedeniyle yakınsaması ve iterasyonların hesaplanması diğer modellere göre kısa sürmüştür. Ancak diğer modellerde de toplam çözüm süresi 5 saati aşmadığı için, türbülans modellerinin değerlendirilmesinde çözüm süresi etkin bir parametre olarak göze alınmamıştır. 
Deneysel verilerle olan uyumu ve çözüm süresinin kabul edilebilir sınırlarda olması nedenleri ile parametrik çalışmada kullanılacak türbülans modelinin SST k-ω olmasına karar verilmiştir.
Karakteristik eğrinin elde edilmesinde kullanılan karşıt basınç değerleri deneysel değerlerden alınarak çıkış şartı olarak verilmiştir. Bu basınç değerine karşılık gelen ve deneysel olarak stroboskop yardımı ile ölçülen rotor devirleri de sınır şartı olarak verilmiştir. Verilen sınır şartlarına karşılık HAD yardımı ile radyal fanın debisi hesaplanmıştır. Bu işlem deneysel olarak ölçülen basınç değerlerinin hepsi için yapıldığında, HAD yardımı ile hesaplanan debi değerlerinin de kullanılması ile karakteristik eğri elde edilir.
Sonuç olarak, HAD analiz sonuçları deneysel ölçüm sonuçları ile önemli bir benzerlik göstermiştir. Bu nedenle mevcut geometrinin değiştirilmesi sonucunda elde edilecek karakteristik eğrilerin HAD yardımı ile daha hızlı ve gerçek durumla bağlantılı olacağı görülmektedir. Her bir karşıt basınç değeri için hata payları değişkenlik gösterse de SST k-ω modeli ile yapılan çözümde deneysel veriden sapma miktarının %1.7'ye kadar düştüğü görülmüştür.
Ayrıca bütün türbülans modellerinde, yüksek karşıt basınç ve dolayısıyla düşük debilerin olduğu durumlarda analizlerin hepsinde kararsızlık artmıştır. Yakınsama süreleri arttığı gibi analiz sonucunda da deneysel veriden sapma, karakteristik eğrinin diğer bölgelerine göre daha fazla olmuştur. Akış kararsızlığının arttığı yüksek basınç ve düşük debi durumlarında duran rotor yerine hareketli elemanların kullanıldığı kayan eleman metodu kullanımı daha kararlı sonuçlar verebilir. 
Mevcut radyal fan ve salyangoz geometrisi ile yapılan HAD analizlerinin doğruluğu ve yeterli çözüm ağı sayısı belirlendikten sonra parametrik çalışma yapılmıştır.Literatür araştırması sonucunda elde edilen salyangoz parametrelerinden dil konum açısı, dil yarıçapı, dil sonrası difüzör açısı ve emiş ağzı çapı olmak üzere dört farklı parametre ile HAD analizleri yapılmıştır. Literatür araştırması sonucunda şekillenen parametrelerin boyutları, geometrik tasarım kısıtlarına göre seçilmiştir.
Parametre değişimlerinin radyal fanın debi ve basıncına etkisini, geometriden bağımsız olarak gözlemlemek için boyutsuz debi ve basınç katsayıları her bir HAD analizi için hesaplanmıştır.
Basınç sınır şartı her analizde aynı verildiği için debi katsayılarının değişimi incelenmiştir. Bu bağlamda bakıldığında, radyal fanın aynı statik basınçta daha çok debi vermesini sağlayan en etkin parametrenin emiş ağzı çapı olduğu belirlenmiştir. Emiş ağzının mevcuta göre genişletilmesi ile %21'e varan debi katsayısı artışı sağlanmıştır.
Debi katsayısı üzerindeki en etkin ikinci parametre ise dil konum açısı olmuştur. Dil konum açısının mevcuta göre azaltılması ile %14'e varan debi artışı olurken, mevcuta göre artırılması ile %25'e varan debi azalması görülmüştür.
Dil sonrası difüzör açısının ve dil yarıçapının değiştirilmesi ile mevcuta göre bir iyileştirme gerçekleştirilememiştir.

Abstract:
Radial fans are using at very wide area such as cooling, ventilation, air-conditioning, dust collecting, drying etc. In tumble dryers, radial fans are important component of the system since radial fan using for circulation of the cycle air. Air, which has heated at the condenser, has high moisture holding capacity. Heated air pass through the high moisture content clothes and clothes get dry because of the cycle air. Radial fan is supply the required airflow. That is why radial fans are essential for drying process.
In order to model radial fan with its air channel, Fluent 14.5 CFD code has used which is using finite volume method formulation. Moving reference frame (MRF) method used for modeling interaction between rotor and stator. All of the analysis are calculated for steady state condition.
In order to make CFD analysis independent of mesh, mesh independency study has conducted. According to mesh independency work, after 1290000 number of meshes, results are changing about %0,8. Since this value is negligible, all of the CFD works which includes choosing proper turbulence model and parametric work, are conduct with the same mesh configuration. 
Turbulent flow occurs as a nature of flow inside the radial fans. In order to model turbulent flow, turbulence models are used which are available in Fluent 14.5 CFD code. Three turbulence models are used to validate the model according to the experimental data. These models are Spalart-Allmaras turbulence model, standard k-ε turbulence model and SST k-ω turbulence model, respectively. Spalart-Allmaras model solves only one transport equation for turbulence where other models are solving two transport equations for turbulence. Analyses have done for every turbulence models, which are mentioned above. In order to decide which turbulence model appropriate for the design of casing of radial fan, results for every turbulence model are compared with experimental data. In addition to accuracy, analysis calculation time also consider to choose proper turbulence model. Experiments are performed at wind tunnel, which is prepared for AMCA-207 standard. In addition to wind tunnel tests, two-dimensional PIV measurements performed. Obtained results from PIV showed the velocity vectors and velocity field. PIV results and CFD results showed velocity fields are same for both experimental and numerical.
In experimental works, inlet and outlet of air passages are opened to atmosphere.   All of the Spalart-Allmaras, standar k-ε and SST k-ω models showed same trend with experimental characteristic curve. However, among all of turbulence models, SST k-ω model showed minimum deviation from characteristic curve which is obtained from experimental work. 
Instability occured in every turbulence models, when high pressure and low flow rate condition. Not only converging time is increse, but also margin of error increase in case of high pressure and low flow rate. Therefore, in case of high pressure and low flow rate conditions where flow instability increase, using of SMM (Sliding Mesh Method) may increase the accuracy of numerical results. For intermediate range of pressure and flow rate Spalart-Allmaras, standart k-ε and SST k-ω models gave %2,88, %2,95 and %2,03 error respectively.
In view of calculation time, analysis with Spalart-Allmaras has minimum time consuming since this model solves only one transport equation for turbulence. Also, analysis with Spalart-Allmaras model is easier to converge than other models. However, other models (standard k-ε and SST k-ω) gave result in five hours. Since, time consuming of other models are not so much, time consuming is not considered for choosing proper turbulence model.
SST k-ω turbulence model choosen as a proper turbulence model for the beyond analysis since this model showed not only accurate result but also acceptable time consuming.
Rotational motion of rotor, modeled by moving reference frame (MRF, also knwon as frozen rotor) method. In order to obtain characteristic flow rate-pressure curve from CFD calculations, every counter pressure value which is measured at the wind tunnel, given as pressure outlet boundary condition. Also, rotors rotation speed given as boundary condition for every counter pressure value. Inlet of radial fan channel is modeled as opened to the atmosphere and every wall has no-slip condition. From these boundary conditions, radial fans flow rate calculated for every counter pressure value. As a result of series of CFD analysis, characterictic curve of radial fan obtained.
As a result of primer numerical calculations, characteristic curves which are obtained from CFD work with Spalart-Allmaras, standard k-ε and SST k-ω turbulence models, have same trend with experimental data. Therefore, acceptable flow rate and pressure data can be calculated from CFD for different radial fan geometries. Margin of error is variable for every counter pressure value. Among the error values, SST k-ω showed less error than other models.
In order to find optimal volute geometry, position angle of tongue, diffuser angle after tongue, tongue radius and diameter of suction port parameters are calculated numerically by using CFD. Every parameter choosen as in two different measurements. Also, in every case six different pressure boundary conditions are tested numerically. Therefore, 48 different CFD analysis conducted in order to complete parametric study.
Used parameters in the parametric study are chosen from literature survey but their measures are specific according to the dryer chassis. Position angle of tongue is defined as the angle between horizontal axis of rotor and line from the center of tongue to the center of rotor. Tongue radius is defined as radius of curvature of tongue. Diameter of suction port defines diameter of opening in front of rotor suction side. Diffuser angle after tongue parameter defines the angle between wall axis after tongue and vertical axis. Diffuser angle after tongue parameter is not found in the literature survey, this parameter is special for this thesis study.
In order to observe, changing of parameters to the radial fan, non dimensional flow and static pressure coefficients are calculted for each CFD results. Since, all of the pressure boundary conditions are the same for every case, pressure coefficients remains same for every parameter. But flow coefficient is always changing with respect to geometry. That is why, variation of flow coefficient is helped to understand the effects of different parameters on the radial fan characteristics.
The most effective parameter that effect the flow coefficient is found as diameter of suction port. In case of increase in diameter of suction port, flow coefficient increases %21 with respect to current radial fan and volute geometry. Similarly, in case of decrease in diameter of suction port, flow coefficient decrease %21 with respect to current geometry configuration.
Structure of flow at the suction side is observed for suction port parameter. Velocity contours show that, velocity magnitude at the inlet of the suction is almost same for both smaller and larger diameter. Since velocity magnitude is same, flow coefficient is increasing with the larger diameter. 
Position angle of tongue is found as another effective parameter on the flow coefficient of the radial fan. In case of increase in position angle of tongue, flow coefficient decreases. Especially at the mid range pressure and flow rate zone, flow coefficient decreases %25 with respect to the current geometry if position angle of tongue increases. Similarly, in case of decrease in position angle of tongue, flow coefficient increases about %14 with respect to the current geometry at the mid range pressure and flow rate zone.
Radius of tongue and diffuser angle after tongue parameters have negative effect on the flow coefficient. Since these parameters have negative effect, velocity and static pressure fields have not taken into consideration.
As a result of parametric CFD analysis, the most effective parameter on the flow coefficient of the radial fan and volute geometry is diameter of suction port. Since velocity magnitude is almost same for smaller and larger suction ports, the one with the larger diameter has larger flow coefficient. The second most effective parameter is position angle of tongue. If position angle of tongue increases, flow rate decreases. Radius of curvature of tongue and diffuser angle after tongue parameters have negative and minor effect on the flow coefficient.