دانلود پایان نامه : بررسی دینامیک سیالات و روشهای تست کارایی در توربو ماشینها

دانلود پایان نامه : بررسی دینامیک سیالات و روشهای تست کارایی در توربو ماشینها

تعداد صفحات: 170

فرمت فایل: word

دسته بندی:

قیمت: 6900 تومان

تعداد نمایش: 411 نمایش

ارسال توسط:

تاریخ ارسال: 24 آوریل 2016

به روز رسانی در: 24 آوریل 2016

خرید این محصول:

پس از پرداخت لینک دانلود برای شما نمایش داده می شود.

6900 تومان – خرید

دانلود پایان نامه : بررسی دینامیک سیالات و روشهای تست کارایی در توربو ماشینها

 

– بخش اول

1-1 دینامیک سیالات در توربوماشینها                                                       1                                            

2-1 مقدمه                                                                                           1

3-1 ویژگیهای میدانهای جریان در توربوماشینها                                          4

4-1 ویژگیهای اساسی جریان                                                                   4

5-1 جریان در دستگاههای تراکمی                                                            7

6-1 جریان در فن ها و کمپرسورهای محوری                                             8

7- 1جریان در کمپسورهای سانتریفیوژ                                                      16

8-1 جریان در سیستمهای انبساطی                                                            21

9-1 جریان در توربینهای محوری                                                             23

10-1 جریان در توربینهای شعاعی                                                           37

11-1 مدلسازی میدانهای جریان توربوماشینها                                              41

12-1 مراحل  مختلف مدلسازی مرتبط با فرآیند طراحی                                 42

13-1 مدلسازی جریان برای پروسس طراحی ابتدائی                                     44

14-1 مدلسازی جریان برای پروسس طراحی جز به جز                                46

15-1 قابلیتهای حیاتی برای تجهیزات آنالیز جریان در توربوماشینها                 47

16-1 مدلسازی فیزیک جریان                                                                 49

17-1 معادلات حاکم و شرایط مرزی                                                         50

18-1 مدلسازی اغتشاش وانتقال                                                               55

19-1 تحلیل ناپایداری و اثر متقابل ردیف پره ها :                              61

20-1تکنیک های حل عددی                                                           65

21-1 مدلسازی هندسی                                                                           70

22-1 عملکرد ابزار تحلیلی                                                                      77

23-1 ملاحظات مربوط به قبل و بعد از فرآیند                                             81

24-1 انتخاب ابزار تحلیلی                                                                       86

25-1 پیش بینی آینده                                                                     89

26-1 مسیرهای پیش رو در طراحی قطعه                                                  90

27-1 مسیرهای پیش رو در قابلیتهای مدلسازی                                            93

28-1 خلاصه                                                                                       96

مراجع                                                                                                 99

                                     

 

2- بخش دوم

1-2 آزمونهای کارآیی توربو ماشینها                                              104

2-2 آزمونهای کارآیی آئرودینامیکی                                       104

3-2 اهداف فصل                                                                         104

4-2 طرح کلی بخش                                                           105

5-2 تست عملکرد اجزا                                                                 106

6-2 تأثیر خصوصیات عملکردی بر روی بازده                                 109

7-  2تست عملکرد توربو ماشینها                                                    113

8-2 روش تحلیل تست                                                                   114

9-2 اطلاعات عملکردی مورد نیاز                                                  115

10-2 اندازه گیریهای مورد نیاز                                                      115  

11-2 طراحی ابزار و استفاده از آنها                                                120

12-2 اندازه گیری فشار کل                                                  120

13-2 اندازه گیری های فشار استاتیک                                              129

14-2 اندازه گیریهای درجه حرارت کل                                            131

15-2 بررسی های شعاعی                                                             133

16-2 Rake های دنباله                                                                136

17-2 سرعتهای چرخ روتور                                                         138

18-2 اندازه گیریهای گشتاور                                                         139

19-2 اندازه گیریهای نرخ جریان جرم                                              139

20- 2اندازه گیریهای دینامیکی :                                                     140

21-2 شرایط محیطی                                                                    143

22-2 سخت افزار تست                                                                 143

23-2 ملاحظات طراحی وسایل                                                      148

24-2 نیازهای وسایل                                                                   149

25-2 ابزارآلات بازده                                                                   151

26-2 اندازه گیریهای فشار                                                             151

27-2 اندازه گیریهای دما                                                               155

28-2 اندازه گیریهای زاویه جریان                                                  158

29-2 روشهای تست و جمع آوری اطلاعات                                      161

30-2پیش آزمون                                                                         161

31-2 فعالیت های روزانه قبل از آزمون                                           162

32-2 در طی آزمون                                                           163

33-2 روشهای آزمون                                                                  163  

34-2 ارائه اطلاعات                                                                    165

35-2 تحلیل و کاهش اطلاعات                                                       165

36-2 دبی اصلاح شده                                                                  166

37-2 سرعت اصلاح شده                                                             167

38-2 پارامترهای بازده                                                                 167

39-2 ارائه اطلاعات                                                                    170

40-2 نقشه های کارآیی                                                                 170

41-2 مشخص کردن حاشیه استال (stall margin)                           171  

مراجع                                                                                        173

 

بخش اول

1-1 دینامیک سیالات در توربو ماشین ها

2-1 مقدمه:

در طراحی کنونی توربو ماشینها، و بخصوص برای کاربردهای مربوط به موتورهای هواپیما، تاکید اساسی بر روی بهبود راندمان موتور صورت گرفته است. شاید بارزترین مثال برای این مورد، «برنامه تکنولوژی موتورهای توربینی پر بازده مجتمع» (IHPTET) باشد که توسط NASA و DOD حمایت مالی شده است.

هدف IHPTET، رسیدن به افزایش بازده دو برابر برای موتورهای توربینی پیشرفته نظامی، در آغاز قرن بیست و یکم می باشد. بر حسب کاربرد، این افزایش بازده از راههای مختلفی شامل افزایش نیروی محوری به وزن، افزایش توان به وزن و کاهش معرف ویژه سوخت (SFC) بدست خواهد آمد.

وقتی که اهداف IHPTET نهایت پیشرفت در کارآیی را ارائه می دهد، طبیعت بسیار رقابتی فضای کاری کنونی، افزایش بازده را برای تمام محصولات توربو ماشینی جدید طلب می کند. به خصوص با قیمتهای سوخت که بخش بزرگی از هزینه های مستقیم بهره برداری خطوط هوایی را به خود اختصاص داده است،  SFC، یک فاکتور کارایی مهم برای موتورهای هواپیمایی تجاری می باشد.

اهداف مربوط به کارایی کلی موتور، مستقیما به ملزومات مربوط به بازده آیرودینامیکی مخصوص اجزاء منفرد توربو ماشین تعمیم می یابد. در راستای رسیدن به اهداف مورد نیازی که توسط IHPTET و بازار رقابتی به طور کلی آنها را تنظیم کرده اند، اجزای توربو ماشینها باید به گونه ای طراحی شوند که پاسخگوی نیازهای مربوط به افزایش بازده، افزایش کار به ازای هر طبقه، افزایش نسبت فشار به ازای هر طبقه، و افزایش دمای کاری، باشند.

بهبودهای چشمگیری که در کارایی حاصل خواهد شد، نتیجه ای از بکار بردن اجزایی است که دارای خواص آیرودینامیکی پیشرفته ای هستند. این اجزا دارای پیچیدگی بسیار بیشتری نسبت به انواع قبلی خود هستند که شامل درجه بالاتر سه بعدی بودن، هم در قطعه و هم در شکل مسیر جریان می باشد.

میدان های جریان مربوط به این اجزا نیز به همان اندازه پیچیده و سه بعدی خواهد بود. از آنجایی که درک رفتار پیچیده این جریان، برای طراحی موفق چنین قطعاتی حیاتی است، وجود ابزارهای تحلیلگر کارآتری که از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) بهره می برند، در پروسه طراحی، اساسی می باشد.

در گذشته، طراحی قطعات توربو ماشین ها با استفاده از ابزارهای ساده ای که بر اساس مدلهای جریان غیر لزج دو بعدی بودند کفایت می کرد. اگرچه با روند کنونی به سمت طراحی ها و میدانهای جریان پیچیده تر، ابزارهای پیشین دیگر برای تحلیل و طراحی قطعات با تکنولوژی پیشرفته مناسب نیستند. در حقیقت جریانهایی که با این قطعات برخورد می کنند، به شدت سه بعدی (3D)، ویسکوز، مغشوش و اغلب با سرعت ها ، در حد سرعت صوت می باشند. این جریان های پیچیده، قابل فهم و پیش بینی نیستند، مگر با بکار بردن تکنیک های مدلسازی که به همان اندازه پیچیده هستند. برای پاسخگویی به نیاز طراحی چنین قطعاتی، ابزارهای CFD پیشرفته ای لازم است که قابلیت تحلیل جریانهای سه بعدی، لزج و در محدوده صوتی، مدل سازی اغتشاش و انتقال حرارت و برخورد با پیکربندی های هندسی پیچیده را داشته باشد. علاوه بر این، جریانهای گذرا (ناپایا) و تعامل ردیفهای چندگانه تیغه ها باید مورد ملاحظه قرار گیرد.

هدف این فصل این است که بازنگری مختصری از مشخصات جریان در انواع مختلف قطعات توربوماشینها ارائه داده و نیز خلاصه ای از قابلیتهای تحلیلی CFD که مورد نیاز برای مدل کردن چنین جریانهایی هستند را بیان کند.

این باید به خواننده، درک بهتری در مورد تاثیر جریان بر طراحی چنین اجزایی و میزان کارایی مدل سازی مورد نیاز برای آنالیز اجزاء بدهد. تمرکز بر روی کاربردهای موتورهای هواپیما خواهد بود، ولی دهانه های ورودی، نازلها و محفظه های احتراق مورد توجه خواهند بود. به علاوه یک بررسی از هر دو گرایش طراحی قطعات و ابزارهای تحلیل CFD را شامل می شود. به علت پیچیدگی این موضوعات، تنها یک بحث گذرا ارائه خواهد شد. اگرچه مراجع فراهم شده اند تا به خواننده اجازه دهد این مباحث را با جزئیات بیشتر جستجو کند.

3-1 ویژگیهای میدان های جریان در توربو ماشین ها:

در این قسمت از فصل، خصوصیات اولیه میدانهای جریان توربو ماشینها بررسی خواهد شد. اگرچه بحث اساسا کاربرد موتورهای هواپیما را مورد توجه قرار خواهد داد، ولی بسیاری از خصوصیات جریان برای توربو ماشینها عمومیت دارند علاوه بر بازنگری مختصر بر ویژگیهای میدانهای جریان عمومی، طبیعت جریانهای خاص در انواع گوناگون اجزاء مورد توجه قرار خواهد گرفت.

4-1 ویژگیهای اساسی جریان:

میدان های جریان در توربو ماشین های ذاتا بسیار پیچیده و سه بعدی است. در بسیاری از موارد، جریان ها تراکم پذیرند و ممکن است از مادون صوت به جریان با سرعت صوت و به فراصوتی تغییر کنند….

.

.

 

18-1 مدلسازی اغتشاش و انتقال:

انواع مختلفی از مدلهای اغتشاش در دسترس است که می توانند در معادلات “Reynolds-averaged Navier- stokes ” برای تنش های درهم و شار حرارتی فراهم شوند.

این محدوده می تواند مدلهای ساده معادله صفر«zero- equation » که ازتنشهای مغشوش در زمینه اغتشاش گرداب ویسکوزیته حاصل شده به طریقه تجربی را به صورت جبری بیان کند که از مدلهای دومعادله ای که معادلات با مشتقات جزئی برای انتقال دو ویژگی اغتشاش استفاده می کند و سپس به ویسکوزیته توربولنت مرتبط می شود تا مدلهای تنش رینولدز کامل و جبری پیچیده تر حاصل شود و همان طور که از نامش پیداست هر یک از  تنش رینولدز و بردارهای شار حرارتی مغشوش را جداگانه در نظر می گیرد تا یک ارائه واقع گرایانه تر از اغتشاش سه بعدی بدست آورد.

مدلهای دارای پیچیدگی بیشتر مثل شبیه سازی گرداب بزرگ یا حلهای معادلات کامل Navier- Stokes عملاً در این مرحله برای تجهیزات آنالیز توربوماشین قابل استفاده نیستند زیرا زمان زیادی برای محاسبه نیاز دارند.

 معادله ساده zero equation مثل مدل Baldwin- Lomax شاید متداولترین باشند و فقط حل یک معادله جبری را برای ویسکوزیته مغشوش نیاز دارند. این نوع از مدل برای پیش بینی جریانهای لایه مرزی دوبعدی بدون جداسازی کافی هستند. ولی وقتی جریان سه بعدی، انحنا، چرخش و گرادیانهای فشار معکوس حاضر هستند ناکافی می باشند. بوضوح این شرایط مرتباً  در کاربردهای توربوماشنی ها اتفاق می افتد. بنابراین گرچه مدلهای معادله صفر به علت سادگی و اثر کم روی زمان محاسبه مطلوب هستند ولی آنقدر عمومی نیستند که برای جریانهای توربوماشین ها مناسب باشند.

 مدلهای دو معادله ای تصویر بیان کننده ترین از فیزیک جریان مغشوش ارائه می کنند که این کار را با استفاده از دو معادله دیفرانسیلی جزئی انجام می دهد و انتقال ویژگیهای اغتشاش انتخاب شده را رهبری می کند. به صورت تیپیکال این ویژگیهای شامل انرژی جنبشی مغشوش و پراکنده سازی انرژی مغشوش هستند گرچه سایر ویژگیها هم می توانند استفاده شوند. وقتی که یکبار با حل معادلات انتقال، ویژگیهای اغتشاش محاسبه شد، این ویژگیها سپس در مدل جبری استفاده می شود تا ویسکوزیته توربولنت به طریقه مشابه مدلهای معادله صفر بدست آید. مدل دو معادله ای Lam and Bremhorst[44] به تناوب برای توربو ماشینها به کار می رود. فواید مدلهای دو معادله ای مدلسازی واقع گرایانه تر ویژگیهای اغتشاش است که تاوان کمی را در مورد زمان محاسبه تحمیل می کند( به علت نیاز به حل دو معادله دیفرانسیل جزئی اضافه تر). بهرحال هنوز ترمهای تنش رینولدز در معادلات ناویه- استوکس و با استفاده از ویسکوزیته مدلسازی می شود. بعلاوه یک ست از ثابتها باید در معادلات مشخص شود. این ثابتها که با استفاده از اطلاعات تجربی برای جریانهای ساده تعریف می شوند از رژیم جریانی  به رژیم دیگر تغییر می کنند و بنابراین همیشه برای یک جریان خاص آنالیز شده کالیبره نشده اند.

بنابراین اگرچه مدلهای دو معادله ای نسبت به مدلهای معادله صفر توسعه یافته تر هستند، بسیاری از نواقص مشابه هنوز وجود دارند و علت آن این فرض پایه ای است که تنش های رینولدز می توانند از طریق استفاده از یک ویسکوزیته درهم مدلسازی شوند. بنابراین مدلهای دو معادله ای در شکل پایه ای خود هنوز برای جریانهای دارای چرخش، انحنا، گرادیانهای فشار معکوس و درجات بالای سه بعدی بودن، ناکافی هستند.

برخی محققان تلاش کرده اند که نواقص مدلهای براساس ویسکوزیته مغشوش را با ایجاد اصلاحاتی در معادلات انتقال بهبود بخشند تا بتوانند با جریانهای پیچیده تر کار کنند.

به عنوان مثال هر دوی Hanjalic and Launder[45] و Nagano and Tagawa[46] مدلهای دو معادله ای ارائه کرده اند که با گرادیانهای فشار معکوس کار می کند.

Abid[47] نسخه ای از مدل دو معادله ای را توسعه داد که هر دوی گرادیانهای فشار و قابلیت تراکم را درنظر می گیرد. دیدگاه دیگر که دقت بالاتری را ارائه می کند تئوری گروه نرمالیزه کردن مجدد [49,48] است که اجازه ارائه ثابتها در مدل را به صورت آنالیزی محلی می دهد تا تجربی. این تکنیک تلاش می کند محدوده کاربرد مدلهای دو معادله ای را گسترش دهد. بهرحال فرض پایه که براساس آن تنش رینولدرز می تواند با استفاده از ویسکوزیته مغشوش مدلسازی شود باقی می ماند.

گام بعدی در مدلسازی صحت (Accuracy Modelling) با انتخاب مدل جبری تنش رینولذر صورت می پذیرد، یکبار دیگر، معادلات دیفرانسیل جزیی برای انتقال دو ویژگی توربولانس حل می شود. اگرچه در این نوع مدل، این متغیرها برای محاسبه ویسکوزیته جریان توربولانت به کار نمی رود، اما ترجیحاً در معادلات جبری منحصر به فردی برای هر یک از تنش های رینولذر و عبارت های شار گرمایی به کار می روند. در این روش، بیشتر ویژگی های فیزیکی جریان توربولانت حفظ می شود و جریان های سه بعدی پیچیده که همراه با انحنا و گردش هم هستند، احتمالاً با دقت قابل پیش بینی اند. تأثیر بر زمان محاسبه به میزان قابل توجهی، بالاتر از مدل دو معادله ای نیست. اگرچه به دلیل سروکار داشتن با معادلات جبری که در مدلسازی تنسور مربوط به تنش رینولذر و بردار شار گرمایی جریان توربولانت، کار آسان تر است. مثال هایی از مدلهای جبری تنش های رینولذر در منابع Rodi و Scheurer قابل دستیابی می باشد]51[، منبع دومی یک کاربرد موفق از این نوع مدلها را برای پیش بینی جریان مربوط به روتور در یک کمپرسور را مطرح می کند.

گام پیچیده بعدی در مدلسازی توربولانس، به عبارت دیگر گام بعدی در ایجاد یک مدل کامل از تنش زینولذر، یک تصویر واقع گرایانه تر ارائه می کند. اگرچه، این میزان دقت، به مدلسازی پیچیده تری منتهی می شود. در اینجا، یک دسته کامل از معادلات انتقال تنش رینولذر (Reynold Stress Transport Equation) باید حل شوند که تقریباً تعداد معادلات دیفرانسیل چند جزیی را دو برابر می کند، این مسأله باعث تحمیل کار زیاد محاسباتی می گردد که منجر به خارج شدن این مدل از قلمرو محاسباتی ابزارهای تحلیل جریان در توربوماشین ها می گردد. بنابراین بر پایه قدرت محاسباتی قابل دسترسی امروزی، مدلهای دو معادله ای به همراه معادلات افزایشی پیچیدگیهای جریان، می تواند حداقل سطح مطلوب در مدلسازی جریان توربولانس را برای تحلیل توربوماشینها فراهم نماید، در کنار آن، مدلهای جبری تنشهای رینولذر برای دقتهای بالاتر مطلوب است.

حوزه مدلسازی جریان توربولانس، حوزه ای بسیار فعال است و مقالات امروزی براساس مدلهای خاص پدید می آیند. Pateletal، مدلهای متنوعی برای جریانهای کنار دیواره را مرور کرده Lakshminarayana,[52]، مراجع زیادی برای مدلهای به کار رفته در کاربردهای مربوط به توربوماشینها را به صورت یک دوره جامع فراهم می کند]53[ علاوه بر این موارد، Speziale ]54[ یک بررسی جزیی نگر درباره پیشرفتهای اخیر در مورد مدلسازی تنش رینولذر انجام داده است.

مدلسازی جریان انتقالی، برای پیش بینی انتقال از جریان آرام به جریان آشفته در توربوماشینها، توجه کمتری را جلب کرده است. اگرچه، مطالعه اخیر Mayle ]55[، یک نگاه گسترده به وضعیت فعلی این موضوع ارائه می نماید. از نتایج Mayle می توان دریافت که جریان انتقالی در توربین های گازی به شدت تحت تأثیر اغتشاش جریان آزاد، گرادیان فشار عبور ناپایدار و متناوب دنباله ها می باشد. در مقابل، زبری سطح، انحناء سطح، فشردگی و انتقال حرارت، تنها یک تأثیر ثانویه بر انتقال دارند. walker ] 56 [ یک دیدگاه تکمیلی نسبت به کارهای Mayle ارائه کرده است. نخستین نتیجه که از این مقالات برداشت می شود، این است که مطالعات در این حوزه بقدر کافی رشد نکرده تا یک مدل قابل اطمینان و تست شده برای انتقال در جریان های سیال در توربوماشین ها فراهم نماید.

.

.

.

جهت دریافت و خرید متن کامل پایان نامه و تحقیق و مقاله مربوطه بر روی گزینه خرید که در بالای صفحه قرار دارد کلیک نمایید و پس از وارد کردن مشخصات خود به درگاه بانک متصل شده که از طریق کلیه کارت هایی عضو شتاب قابل پرداخت می باشید و بلافاصله بعد از پرداخت انلاین به صورت خودکار لینک دانلود مربوطه فعال گردیده که قادر به دانلود فایل کامل ان می باشد.

پاسخ دهید