Santrifüj pompa çarkındaki akış karakteristiklerinin HAD ve PIV Yöntemi ile incelenmesi
Investigation of flow characteristics in a centrifugal pump impeller by CFD and PIV Method
Yazar: MUHARREM HİLMİ AKSOY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FARUK KÖSE
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Santrifüj pompalar = Centrifugal pumps ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Su pompası = Water pump

Özet:
Pompa verimlerini azaltan problemlerin üstesinden gelmek ve yeni tasarımlar yapmak için pompa çarkı içerisindeki karmaşık akış yapılarını daha iyi anlamak ve incelemek gerekmektedir. Bu nedenle, bu tez çalışmasında özel olarak tasarlanan ve kurulan bir test düzeneğinde, pompa çarkı içerisinde, iki kanat arasındaki akış yapısı, çark çıkış genişliğinin tam ortasında deneysel olarak Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçme (PIV) yöntemi ile belirlenmiştir. Çalışmada, tasarım parametreleri 2850 d/d, 12.5m3/h debi ve 40 metre basma yüksekliğine sahip 3 kademeli santrifüj pompa, tasarım devri yanında, 1900 d/d çalışma şartlarında da denenmiştir. Her bir devir değeri için tasarım debisinin 0.85Qd-1.0Qd ve 1.15 Qd değerlerinde olmak üzere 3 farklı debi oranında deneyler yapılmıştır. Sayısal çalışmalar aynı sınır şartlarında yapılmış, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile elde edilen akış yapısı deneysel elde edilen PIV sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Deneysel ve sayısal çalışmalar orijinal pompa çarkı olan 6 kanatlı (çark 1) ara kanat ilaveli 4 kanatlı (çark 2), ara kanat ilavesiz 4 kanatlı (çark 3) olmak üzere 3 farklı pompa çarkı kullanılarak yapılmıştır. PIV çalışmalarında çarkın aynı pozisyonda olduğu durağan halde faz ortalamalı 500 görüntü alınmış ve akış özellikleri mutlak hız vektörü, bağıl hız vektörü, mutlak hız konturu, bağıl hız konturu ve Türbülans Kinetik Enerji (TKE) değerleri ile incelenmiştir. Ayrıca çark ve difüzör etkileşimini daha iyi incelemek için 5 farklı çark-difüzör pozisyonunda da çark içerisindeki akış yapısı incelenmiştir. Pompa çarkı içerisinde oluşturulan 16 farklı nokta ile elde edilen PIV-HAD sonuçları arasındaki bağıl fark %5.7-21.2 arasında olduğu bulunmuştur. 12.5 m³/h debide yapılan deneysel ve HAD çalışmalarında en yüksek pompa genel verimi çark 1 için sırası ile %56.0 ve %56.6 olarak elde edilirken, en yüksek basma yüksekliği çark 2 ile sırasıyla 46.0 m ve 44.2 m olarak bulunmuştur. Çark 3 ise verim değeri bu debide %55.8 olmasına rağmen basma yüksekliği 37.8 m'de kalmıştır. Deneysel çalışmalarda çark 2'nin kullanımı ile orijinal çark olan çark 1'e göre basma yüksekliği %9.7 artış ile 40.3 m'den 44.2 m ye çıkarılırken, genel verim %56'dan %53.7'ye % 4.7 düşüşte kalmıştır. Bunun yanında HAD ve deneysel çalışmalarda elde edilen pompa karakteristik değerleri arasındaki fark %1-9 aralığında olduğu bulunmuştur. Özellikle az kanat sayısına sahip ve PIV ölçümlerine uygun olan çark 2'de mutlak hız değerlerinin PIV ve HAD sonuçları ile uyum içerisinde olduğu görülmüştür.

Abstract:
It is necessary to better understand and examine the complex flow patterns in the pump impeller to overcome problems that reduce pump efficiency and to make new designs. For this reason, the flow structure between the two blades in pump impeller, in a specially designed and installed test set in this thesis study, was experimentally determined by the Particle Image Velocity (PIV) measurement method in the middle of the impeller exit width.  In the study, a 3-stage centrifugal pump with design parameters of 2850 rpm, 12.5 m³/ h flow rate and 40 m pressure head was also tested at 1900 rpm, in addition to design parameters. Experiments have been carried out at three different flow ratios for the design values of 0.85Qd-1.0Qd and 1.15 Qd for each rpm value. Numerical studies have been carried out under the same boundary conditions, and the flow structure obtained by Computational Fluid Dynamics (CFD) was compared with experimental PIV results. Experimental and numerical studies have been carried out using 3 different pump impellers, original pump impeller 6 blades (impeller 1), 4 main 4 splitter blades (impeller 2), 4 main blades without splitter blades (impeller 3).In the PIV studies, a 500 phase averaged photos was taken at the same impeller position and the flow properties were investigated with the absolute velocity vector, the relative velocity vector, the absolute velocity contour, the relative velocity contour, and the Turbulence Kinetic Energy (TKE) values. In addition, 5 different impeller-diffusers positions have been investigated in order to investigate the flow structure in the impeller and its' interaction between impeller and diffuser. The relative difference between the PIV-CFD results obtained with the 16 different points created in the pump impeller was found to be between 5.7-21.2%. In the experimental and HAD studies performed at 12.5 m³/h, the highest pump overall efficiency was 56.0% and 56.6%, respectively for the impeller 1, while the highest pump  height was 46.0 m and 44.2 m for the impeller 2. In the pump used the impeller 3, the pump head remained at 37.8 m even though the pump efficiency was 55.8%. With the use of impeller 2 in the experimental studies, the head increased from 40.3 m to 44.2 m with 9.7% while overall efficiency decreased only from 56.0% to 53.7% by 4.7% compared to impeller 1.In addition, the difference between the pump characteristic values obtained in HAD and experimental studies is found to be between 1-9%. It has been observed that the absolute velocity values are in accordance with the PIV and HAD results in the impeller 2, which has a particularly lower number of blades and is more suitable for PIV measurements.