پمپ‌ها،کمپرسورها و پروانه‌ها بخشی اساسی از زیرساخت‌های روزمره هستند. آنها نیروگاه‌ها، قایق‌ها و تأسیسات تولید توان را در سراسر جهان، فعال نگه میدارند. مهم‌ترین چالش برای مهندسانی که این ماشین آلات را طراحی و استفاده میکنند، اجتناب از پدیده کاویتاسیون است – جایی که مایع دچار تغییرات فازی ناگهانی میشود و میتواند به سیستم آسیب برساند. برای جلوگیری از این امر، مهندسان باید اطمینان حاصل کنند که تجهیزات مناسب در سیستم نصب شده است. شبیه سازی کاویتاسیون به کمک فلوئنت یک راه حل مقرون به صرفه برای بهینه سازی طرح‌ها و پیکربندی پمپ‌ها برای جلوگیری از تغییر فازهای سهوی میباشد.
چه چیزی باعث بروز کاویتاسیون میشود؟
کاویتاسیون زمانی اتفاق میافتد که یک سری حباب یا حفره درون مایع ایجاد میشود که علت آن پایین بودن فشار نسبت به فشار بخار است. وقتی حباب‌ها فشارهای بیشتری را تجربه میکنند، فروپاشی میشوند و عامل ایجاد موج‌های کوچک در سطح شده که با گذشت زمان، به قطعات آسیب میرسانند. وقتی این امواج به سوراخهای کوچکی ضربه وارد میکنند باعث میشوند این سوراخهای کوچک به ندرت بزرگتر شوند. به این اتفاق سوراخکاری میگویند.
سر و صدا، لرزش و کاهش عملکرد شاخص‌های مساعدی برای شروع پدیده کاویتاسیون در پمپ‌ها هستند. هنگامی که این علائم هشدار دهنده شروع میشود، مهندسان باید تجهیزات را بررسی کنند تا ببینند آیا حفره‌هایی ایجاد شده است یا خیر. حفره‌ها یکی از نگرانی‌های اصلی مهندسان است. این بدان دلیل است که با رشد و تکثیر حفره‌ها، از عمر و کارایی پمپ کاسته میشود. اما دلایل دیگری نیز وجود دارد که مهندسان خواهان کاهش تشکیل حباب در تجهیزات خود هستند. به عنوان مثال، امواج فشاری میتوانند ارتعاشاتی ایجاد کنند که ممکن است باعث خرابی سایر قطعات شود – مانند یاتاقان‌ها. مهندسان برای اینکه پمپ‌ها از نظر عملکرد دچار افت نشوند، باید کار ورودی به سیستم را افزایش دهند؛ چرا که کاویتاسیون بر نرخ جریان و کارایی نیز تأثیر میگذارد. این امر منجر به افزایش گازهای گلخانه‌ای و همچنین هزینه‌های سوختی میشود.
چگونه از بروز کاویتاسیون در پمپ جلوگیری کنیم؟
بهترین راه برای جلوگیری از بروز کاویتاسیون در پمپ‌ها، افزایش فشار بالادستِ پروانه پمپ است. این فشار به عنوان هِد خالص مثبت مکشی (Net Pressure Suction Head) شناخته میشود.
برخی از روش‌هایی که مهندسان میتوانند هِد خالص مثبت مکشی را افزایش دهند:
- افزایش سطح آب مخزن بالادست
- اضافه کردن القا کننده در ورودی پمپ (عملکرد القا کننده افزایش هِد ورودی به مقدار کافی برای جلوگیری از کاویتاسیون است.)
- بهینه کردن طراحی پروانه
- به حداقل رساندن تلفات جریان بالادست
- کار کردن پمپ در جریان‌های با نرخ پایین
در مرحله طراحی، بعید است مهندسان بدانند که یک پمپ چگونه در یک سیستم خاص نصب میشود. بنابراین، آنها از محاسبات و شبیه سازی‌ها برای تست کردن پیکربندی‌های مختلف استفاده میکنند تا بتوانند هِدهای خالص مثبت مکشی بدست آمده را دسته بندی کنند و این اطلاعات را در اختیار مهندسانی که سیستم را راه اندازی میکنند قرار دهند. این دسته بندی کمک میکند پمپ مناسب برای یک تاسیسات انتخاب شود.
به طور سنتی، مهندسان از معادله Rayleigh-Plesset برای شبیه سازی تشکیل حباب استفاده میکنند. چالش این است که این نتایج، تجربی هستند و اگر پارامترهای ورودی به طور نادرست تنظیم شوند ممکن است نتایج به دست آمده اختلاف فاحشی با آنچه که در واقعیت اتفاق میافتد، داشته باشند. روش دیگر، مهندسان می توانند از مدل تغییر فاز تعادلیِ ANSYS CFX یا ANSYS Fluent برای شبیه سازی کاویتاسیون استفاده کنند. ANSYS CFX از خواص مواد برای پیش بینی تشکیل حباب‌ها استفاده میکند و نیازی به داده‌های تجربی ندارد. در نتیجه، برای تولید نتایج دقیق، نیازی به تنظیم معادله Rayleigh-Plesset نیست. در نتیجه مهندسان میتوانند شبیه سازی خود را پارامتری کرده تا بتوانند به سرعت پیکربندی های مختلف را جهت بدست آوردن هِدهای خالص مثبت مکشی، مورد بررسی قرار دهند. آنها همچنین میتوانند یک نمودار ایجاد کنند که نشان میدهد چگونه کاهش هِد خالص مثبت مکشی، باعث کاهش هِد تولید شده توسط پمپ به دلیل تغییر فاز ناگهانی میشود.
برای آموزش مفاهیم پدیده کاویتاسیون و شبیه سازی آن در نرم افزار فلوئنت دوره‌ی آموزشی ” شبیه سازی کاویتاسیون در انسیس فلوئنت” پیشنهاد میشود.
