Santrifüj pompa performansının sayısal analizi
Numerical analysis of centrifugal pump performance
Yazar: MEHMET KAYA
Danışman: PROF. DR. MURAT AYDIN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Santrifüj pompalar = Centrifugal pumps ; Sayısal analiz = Numerical analysis ; Viskozite = Viscosity ; Yüzey pürüzlülüğü = Surface roughness

Özet:
Santrifüj pompa tasarımında ampirik verilerin ve tecrübeye dayalı ilişkilendirmelerin önemi hala korunmaktadır. Buna karşın günümüzde hesaplamalı akışkanlar dinamiği uygulamalarının santrifüj pompa tasarım sürecinde kullanımıyla, akış alanı belirlenebilmekte ve tasarım süreci ampirik bağımlılıklardan kurtularak kontrol altına alınabilmektedir. Böylece iç akış problemleri tespit edilebilmekte ve en iyi performansa sahip pompalar tasarlanabilmektedir. Bu çalışmada yatay milli, tek kademeli, uçtan emişli bir santrifüj pompanın performansını tayin edebilmek amacı ile bu pompanın sabit ve dönen elemanlarında meydana gelen iç akışın 3 boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Sayısal hesaplamalar ticari sonlu hacimler yazılımı FLUENT ile yürütülmüştür. Sıkıştırılamaz türbülanslı akış için korunum denklemleri zamandan bağımsız formda çözülmüş, çark ve salyangoz içerisinde olan akış alanını ifade edebilmek amacı ile çoklu referans sistemi tekniği kullanılmıştır. Çözümün sayısal ağdan bağımsızlaştırılması, pompanın en verimli çalışma noktasında yapılan analizler sonucunda 2.106 adet hücre ile sağlanabilmiş ve diğer tüm hesaplamalarda bu ağ kullanılmıştır. Ayrıca türbülans modellerinin pompa basma yüksekliğine olan etkileri de incelenmiştir. Pompa performansı akışkan olarak su ve viskoz yağlar kullanılması durumlarında ve farklı çalışma noktalarında debi, basma yüksekliği ve verim terimleri ile ortaya konulmuştur. Sayısal sonuçlar su ile elde edilen deneysel eğrilerle karşılaştırılmış ve birbirleri ile uyum içerisinde oldukları gözlenmiştir. Viskoz yağlar ile elde edilen sayısal eğriler ise, ISO 17766 teknik raporunda önerilen yöntem ile türetilen eğrilerle karşılaştırılmıştır. Son olarak malzeme yüzey pürüzlülüğünün pompa performansına olan etkileri su ve viskoz yağlar basılması durumları için incelenmiştir. Yüzey pürüzlülüğündeki değişimin su basılması durumunda performansı önemli derecede etkilediği, buna karşın viskoz yağlar söz konusu olduğunda eğrilerde hiçbir değişimin oluşmadığı görülmüştür.

Abstract:
Centrifugal pump design is still based on experience and correlations between similar types of pumps. On the other hand, usage of CFD applications in centrifugal pump design led to the determination of the flow field inside the pump and allowed the design procedure to be controlled, getting over empirical relations. Besides, internal flow ploblems can be detected and pumps of the best efficiencies can be designed. In this study a 3D-CFD simulation of the internal flow in the rotational and stationary parts of a horizontal, single stage, end suction centrifugal pump has been performed to predict its performance. The numerical calculation procedure has been carried out with the commercial finite volume code FLUENT. The governing equations of incompressible turbulent flow have been solved in the steady-state regime and the multiple reference frame technique has been introduced to represent the flow field inside the impeller and the volute. Mesh independence of the solution has been achieved with 2.106 cells for the best-efficiency working point of the pump and the generated grid has been used for all the remaining calculations. The effects of turbulence model on the calculated pump head have been also examined. The performance of the pump have been predicted in terms of flow rate, head and efficiency when pumping water and 3 viscous oils at different operating conditions. The numerical results are compared with experimental curves for water and a good agreement between them are observed. The numerical results for viscous liquids are compared with the curves derived from the method in the ISO 17766 Technical Report. Lastly the surface roughness effects of the pump material to the pump performance have been analysed when handling water and viscous oils. It is observed that the performance curves of water are significantly effected with the variation of surface roughness while curves for viscous oils remain unchanged