عنوان پایان‌نامه
بررسی عددی جریان سه بعدی غیر دائمی آشفته در دیفیوزر توربین آبی
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 2250;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 57328
- تاریخ دفاع
- ۲۹ شهریور ۱۳۹۱
- دانشجو
- سعید صالحی
- استاد راهنما
- مهرداد رئیسی دهکردی
- چکیده
- جریان تحت تأثیر گرادیان فشار معکوس را می‌توان در موارد بسیار زیادی از کاربردهای مهندسی، از جمله دیفیوزرها، پره‌های توربین و بخش انتهایی ایرفویل‌ها یافت. جریان‌های آشفته در هندسه‌های واگرا و تحت گرادیان فشار معکوس، همواره به عنوان یکی از پیچیده‌ترین جریان‌ها برای پیش‌بینی‌های عددی به حساب آمده است. مطالعه حاضر شامل بررسی عددی جریان آشفته در یک هندسه واگرا می‌باشد. این هندسه در واقع نوع خاصی از دیفیوزر می‌باشد، که در بخش انتهایی اکثر توربین‌های آبی (از جمله کاپلان و فرانسیس) یافت می‌شود. این هندسه خاص در ابتدا توسط سروانتز و انگستروم [1] به صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفت. در واقع پایان‌نامه حاضر شامل بررسی عددی جریانی است که توسط سروانتز و انگستروم [1] به صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفت. در تحقیق حاضر برای تحلیل عددی جریان درون دیفیوزرمورد نظر، بخش تست مدار آزمایشی آن‌ها به طور کامل مدل گردید. این مطالعه عددی شامل دو بخش کلی است. بخش اول آن جریان حالت دائم دارد و عدد رینولدز جریان (نسبت به قطر هیدرولیکی و سرعت متوسط در کانال) 20000 می‌باشد. بخش دوم این تحقیق نیز شامل حل عددی جریان ضربانی در این هندسه می‌باشد. در جریان ضربانی شبیه‌سازی شده نیز عدد رینولدز، که بر اساس میانگین زمانی سرعت متوسط محاسبه گردیده است، برابر 20000 است. همچنین محاسبات مربوط به جریان ضربانی در سه فرکانس مختلف 03/0، 10/0 و 35/0 هرتز صورت گرفته است. برای مدل‌سازی جریان آشفته در این هندسه از دو مدل آشفتگی استفاده شده است. یکی مدل خطی عدد رینولدز پائین لاندر و شارما و دیگری نیز مدل غیر خطی عدد رینولدز پائین کرفت و همکاران. همچنین برای انجام محاسبات عددی، از حلگر منبع باز OpenFOAM، که یک حلگر بر پایه‌ی روش حجم محدود است، استفاده گردیده است. همچنین این حلگر در راستای انجام این پایان‌نامه توسعه داده شد و کد عددی مربوط به مدل آشفتگی غیر خطی به آن اضافه گردید. لازم به ذکر است که در بخش مربوط به جریان دائم، از روش تصحیح فشار سیمپل و در قسمت جریان ضربانی از روش پیزو برای تصحیح میدان فشار استفاده گردیده است. برای گسسته‌سازی فضایی کلیه‌ی جمله‌های جابجایی از روش پاد بادسو مرتبه دوم و در حالت جریان ضربانی روش ضمنی اویلر برای گسسته‌سازی زمانی همه‌ی جمله‌ها استفاده گردید. مقایسه نتایج تجربی و نتایج حاصل از حل عددی جریان حالت دائم و ضربانی نشان می‌دهد، که اگر چه هر دو مدل آشفتگی خطی و غیر خطی نتایج تقریباً قابل قبولی برای میدان سرعت متوسط به دست می‌دهد، اما مدل غیر خطی به دلیل پیش‌بینی میدان آشفتگی غیر همسانگرد، مقادیر دقیق‌تر و واقعی‌تری برای متغیرهای آشفتگی (از جمله مؤلفه‌های تانسور تنش رینولدز) پیش‌بینی می‌کنند. همچنین در این تحقیق نشان داده شده است، میدان جریان و آشفتگی میانگین‌گیری شده روی زمان، تقریباً مستقل از فرکانس نوسانات می‌باشد. همچنین در جریان حالت ضربانی، به دلیل استفاده از مدل‌های آشفتگی URANS بخشی از انرژی جنبشی آشفتگی حل و بخش دیگری از آن مدل می‌گردد. در این پابان‌نامه نشان داده شده است که با افزایش فرکانس نوسانات، بخش حل شده میدان آشفتگی کوچک‌تر می‌شود. چرا که وقتی فرکانس نوسانات افزایش می‌یابد، عملاً سیال فرصت کمتری برای نوسانات اتفاقی بزرگ (بخشی از نوسانات که مستقیماً حل می‌شوند) خواهد داشت. در نتیجه بخش حل شده انرژی جنبشی آشفتگی کاهش می‌یابد. در صورتی که بخش مدل‌شده انرژی جنبشی آشفتگی تقریباً بدون تغییر باقی می‌ماند.
- Abstract
- Numerical computation of a turbulent flow in a diverging channel with adverse pressure gradient is presented in this thesis. The geometry is actually a generic type of the diffuser found at the end of most Kaplan and Francis hydropower turbines. This geometry was first studied experimentally by Cervantes and Engestrom [1]. In order to perform a simulation of this flow, the test section of their experimental circuit was modeled. Similar to their work, this investigation includes two parts: steady flow and pulsating flow. The Reynolds number of steady flow, based on bulk flow velocity and hydraulic diameter of channel is 20000. In the pulsating flow, the Reynolds number which is calculated by time averaged bulk velocity is also 20000. Flow oscillates with three different frequencies of 0.03, 0.1 and 0.35 Hz. The simulations are carried out using two different low Reynolds RANS turbulence models; the linear Launder and Sharma and non-linear Craft et al. model. The computations are performed using open source CFD code OpenFOAM; which is a finite volume method based solver. In this thesis, the non-linear Craft et al. model was implemented into OpenFOAM. The pressure was corrected through SIMPLE and PISO algorithms in steady and pulsating flow respectively. A second order upwind scheme is used for discretization of all convective terms and implicit Euler method is employed for discretization of time derivatives terms in pulsating part. The results show that although both linear and non-linear turbulence models can predict acceptable results for mean velocity field, but the non-linear model significantly improves the results of turbulence field. Also it is found that time averaged flow field is not affected by frequency.
