Kezdőlap / Portfolio / Munkafüzet Ventilátor CFD Szimulációkhoz

Munkafüzet Ventilátor CFD Szimulációkhoz

Munkafüzet Ventilátor CFD Szimulációkhoz

Az utóbbi időben elég sokat foglalkoztunk ventilátorok áramlástani szimulációjával, beszélgettünk, tapasztalatot cseréltünk németországi ventilátor fejlesztő cégek CFD specialistáival. Ezen élmények hatására készítettem egy rövid – inkább szakmainak mondható – összefoglalót a ventilátorok CFD szimulációival kapcsolatos tapasztalatokról felsorolásszerűen, rövid magyarázatokkal.

1. A forgó mozgás szimulációja. A ventilátor lapát forgó mozgását valós mozgás szimulációként ritkán hajtják végre. Az analízisek döntő többségénél, ahol az áramlási viszonyok a forgástengelyre szimmetrikusak az ún. frozen rotor technikát használják, amikor is a forgó és az állórész egymáshoz viszonyított helyzete rögzített. Ebben az esetben a járókereket tartalmazó térfogatra csak a mozgás tulajdonságait kell megadni (forgó mozgás, mint típus és szögsebesség, amely az alkalmazandó villanymotor fordulatszámából következik), az egymáson elmozduló háló (discontinuous vagy más néven sliding mesh) paramétereit, a kontakt felületeket nem.
Mit nyernek ezzel a módszerrel? Időt, méghozzá nem is keveset, hiszen a szimulációk nem időben változó folyamatot írnak le, gyorsan lefutnak és ez nagyon fontos, mert egy ventilátor fejlesztés alatt nagyon sok szimulációt kell elkészíteni.
Mit vesztenek ezzel a módszerrel? Némi pontosságot, mert az időben állandó szimuláció eredménye függhet a forgórész és az állórész éppen beállított pozíciójától. Az időben állandóság miatt pedig a tranziens jelenségek (nyomás változások, másodlagos áramlások) nem láthatók.

2. Fix térfogatáram megadása peremfeltételként. A fix térfogatáram megadásának nagyon egyszerű oka van és a ventilátorok jelleggörbéjéből következik. Az alábbi ábra egy axiális ventilátor jelleggörbéjét mutatja be. Ha peremfeltételként a beömlő és kiömlő oldal közötti nyomáskülönbséget adnánk meg és a szimulációban a térfogatáramot mérnénk, az ábrán a piros vízszintes vonal mentén vizsgálnánk a ventilátort, és – a jelleggörbe alakjától függően – ez a piros vonal akár több ponton is metszhetné a görbét, így nem tudnánk pontosan megmondani, hogy a beállított nyomásesés milyen térfogatáram mellett jelentkezik [1].

Nyomásesés beállítása peremfeltételként a piros vízszintes vonalon történő szimulációs jelent
Nyomásesés beállítása peremfeltételként a piros vízszintes vonalon történő szimulációs jelent
Térfogatáram peremfeltétel a függőleges zöld vonalon történő szimulációt jelent
Térfogatáram peremfeltétel a függőleges zöld vonalon történő szimulációt jelent

Ezzel ellentétben a fix térfogatáramhoz egy nyomásesés tartozik (a fenti ábrán zöld függőleges vonal), így ezek egyértelműen összerendelhetők. A kilépő keresztmetszeten p=0 Pa statikus nyomást adunk meg.
A ventilátor fejlesztők tehát áramlástani szimulációkkal szépen végigszámolják a jelleggörbét: adott geometria (és háló) mellett több térfogatáram ponthoz kiszámítják a nyomásesést. Ez persze sok szimuláció lefuttatását jelenti, de szerencsére az SC/Tetrában ez a folyamat jól automatizálható.

3. Turbulencia modell. Sok kérdésre mondták már, hogy nincs rá egyedüli üdvözítő megoldás, nos ez is ilyen.
A turbulencia modell választása függhet a Reynolds-szám jellemző értékétől (alacsony Re-számhoz tartozó turbulencia modellek alkalmazhatók kis sebességekhez), az áramlás jellegétől (például vannak-e leválások a lapát felületéről).
A feladattól függően nagy Re-számokhoz jó választás lehet [2]:

  • realizable k-ε,
  • SST k-ω,
  • tapasztalataim szerint ritkán, de használják a LES-t (Large Eddy Simulation) is.

Kis Re-számokhoz (amelyek egyaránt jól működnek nagy Re-számoknál):

  • AKN (Agabe-Nagano-Kondoh) k-ε,
  • MPAKN k-ε.

4. Prizmatikus elemrétegek száma. A turbulencia modellek mellett a háló készítése az a téma, amiről rengeteg publikációt írtak már és biztosan fognak is még jó néhányat a jövőben.
Ha most csak a falak mellett elhelyezkedő prizmatikus elemrétegre koncentrálunk, akkor szintén feladattól és turbulencia modelltől függ a két legfontosabb paramétere: a rétegek száma és vastagsága. A német ventilátor fejlesztő kollégák általában 6-8 réteget használnak, az általam ismert egyik forrás [2] nagy Re-számoknál maximum 10 réteget említ, alacsony Re-számú turbulencia modellhez akár 40 réteg is szükséges lehet.

5. A járókerék tengelyén mérhető nyomaték. A szimulált rendszer adott térfogatáramhoz tartozó nyomásesése mellett az egyik paraméter, amelyre külön figyelmet fordítanak, az a járókerék tengelyén mérhető nyomaték.
Mind a nyomásból, mind a viszkózus erőkből származó nyomatékot kiszámíttatják a CFD szoftverrel, mert a tapasztalatok szerint a viszkózus erőkből származó nyomaték a teljes nyomaték 6-8%-a is lehet, tehát egy igazán pontos ventilátor szimuláció esetén nem elhanyagolható.

6. Nyírófeszültség a ventilátor lapátok felületein. A nyírófeszültség skalárként és vektorként is megjeleníthető. Kiszámításának, elemzésének alapvető oka az, hogy nagyságából a lapát felületein kialakuló áramlási viszonyokra következtethetünk, mivel ahol a nyírófeszültség értéke kicsi, ott az áramlás nagy valószínűséggel leválik a lapát felületéről. Ez pedig elég jó indikátor arra nézve, hogy a lapát geometriáját hol célszerű módosítani.

Nyírófeszültség nagysága
Nyírófeszültség nagysága
Nyírófeszültség vektorok a lapát felületén
Nyírófeszültség vektorok
a lapát felületén

Dr. Dúl Róbert

Források:

[1] A jelleggörbe képek forrása: www.electronics-cooling.com
[2] http://www.cfd-online.com/Wiki/Best_practice_guidelines_for_turbomachinery_CFD

Top