Sirkülasyon pompası tasarımı ve HAD yöntemi ile performans analizi
Circulation pump design and performance analysis using CFD technique
Yazar: ONUR ÖZBİLGİN
Danışman: PROF. DR. HAŞMET TÜRKOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akış analizi = Flow analysis ; Makine tasarımı = Machine design ; Parametre optimizasyonu = Parameter optimization ; Pompa performansı = Pump performance ; Santrifüj pompalar = Centrifugal pumps

Özet:
Bu çalışmada, tasarım girdileri mevcut bir sirkülatör pompasının hidrolik tasarımı yapılmıştır ve değişik parametrelerin farklı değerlerinde sayısal simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Sayısal simülasyon sonuçlarını doğrulamak için bir pompa test düzeneği kurulmuştur. Mevcut bir pompadan deneysel ölçümler alınmıştır. Tasarım için analitik ve ampirik ifadeler kullanılmıştır. Tasarlanan pompanın performans karakteristik parametreleri, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılımı olan ANSYS CFX kullanılarak analiz edilmiştir. Simulasyonlarda akışın kararlı, türbülanslı ve sıkıştırılamaz olduğu kabul edilmiştir. Sayısal çözümde Reynolds ortalamalı Navier-Stokes (RANS) denklemleri ve shear stress transport (SST) türbülans modeli kullanılmıştır. Sayısal çözümleri doğrulamak için mevcut pompadan elde edilen deneysel ve sayısal sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sayısal çözümlerin doğrulanmasının ardından, tasarlanan pompanın simulasyonları, pompanın spiral gövdesinin akışa dik kesit alanının %90, %100, %110 oranları ve farklı debi ve çark dönme hızları (2800, 3500, 4200, 4900 ve 5600 dev/dak) için yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda, spiral gövdenin akışa dik kesit alanının ve çark dönme hızının pompa performansını önemli ölçüde etkilediği görülmüştür. Spiral gövdenin akışa dik kesit alanının artışıyla, pompa performans eğrisindeki maksimum değer, tasarım debisinden daha yüksek debi değerlerinde gerçekleşmiştir. Akışa dik kesit alanının azalmasıyla, maksimum verim değeri tasarım debisinden daha küçük debi değerlerinde gerçekleşmiştir. Ayrıca, akışa dik kesit alanı artışı, debinin tasarım noktası debisinden daha yüksek debilerde olması durumunda, basma yüksekliği kazancı sağlamıştır. Diğer taraftan spiral gövdenin akışa dik kesit alanındaki azalma bu etkiye ters etki etmiştir. Bunun yanında çark dönme hızının, tasarım girdisi dönme hızından yüksek ve düşük değerlerinde pompa performansı azalmıştır. Yapılan simülasyon sonuçlarından, tasarlanan pompanın en verimli çalışma noktasında en yüksek pompa performansının, spiral gövdenin akışa dik kesit alanının tasarım değerinin %90 oranı ve çark dönme hızının tasarım girdisi değeri olan 4200 dev/dak değeri için gerçekleşeceği görülmüştür.

Abstract:
In this study, hydraulic design of circulator pump whose design inputs are available, was carried out and numerical simulations were performed for different values of different parameters. A pump test setup was constructed for verification of the numerical simulations results. Experimental measurements were performed using an existing pump. For design, analytical and emprical expressions were used. Pump characterization parameters of the designed pump were analysed numerically by using ANSYS CFX computational fluid dynamic (CFD) code. The flow is assumed to be steady, turbulent and incompressible for all simulations carried out. Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations and the shear stress transport (SST) turbulent model were used for numerical solutions. To verify the numerical results, the experimental and the numerical results obtained for the existing pump were compared. After verifying numerical solution, simulations for the designed pump were carried out with the volute areas of 90%, 100% and 110% of the design value volute cross-sectional area at different rotational speeds (2800, 3500, 4200, 4900 and 5600 rpm) and volumetric flow rates.  The results of the simulations showed that the cross-sectional area of the pump volute and rotation speed of impeller significantly affects the pump performance. With increasing the cross-sectional area of the pump volute, the maximum point at the pump performance curves occures at the flow rates higher than the design flow rate. With decreasing the cross-sectional area, the maximum efficiency value occurs at the flow rates lower than the design flow rate. The increase in the volute cross section also provides head gain at flow rates which are higher than the design point flow rate. On the other hand, the reduction on the volute cross-sectional area affects this trend in reverse. In addition, the pump performance decreases for the values of rotation speed of impeller which is higher and lower than the design value. The simulations results demonstrates that the best pump performance at the best efficiency point will occur at the volute cross-sectional area which is 90% of the design value and 4200 rpm rotation speed of impeller which is a design input.