شبیه سازی توربین و کمپرسور CFD

شبیه‌سازی توربین و کمپرسور در دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

شبیه‌سازی توربین‌ها و کمپرسورها یکی از چالش‌برانگیزترین حوزه‌های دینامیک سیالات محاسباتی است، زیرا این ماشین‌های دوار دارای جریان‌های پیچیده، ناپایدار، و بسیار وابسته به هندسه هستند. هدف از مدل‌سازی این سامانه‌ها، پیش‌بینی عملکرد هیدرودینامیکی و آیرودینامیکی، محاسبه توان و راندمان، تعیین رفتار جریان درون ردیف‌های پره‌ای، و تحلیل اثرات پدیده‌هایی مانند جدایش، استال، شوک، اغتشاش چرخشی و اندرکنش Rotor–Stator است.

۱. ماهیت جریان در توربین‌ها و کمپرسورها

توربین‌ها

توربین‌ها انرژی جنبشی یا پتانسیل سیال را گرفته و به کار مکانیکی تبدیل می‌کنند. در این دستگاه‌ها جریان معمولاً در شرایط زیر قرار دارد:

• وجود گردابه‌های شدید پشت پره‌ها

• احتمال جدایش در زاویه‌های حمله بالا

• شرایط کاملاً تراکم‌پذیر در توربین‌های گاز

• اندرکنش پره‌های دوار (Rotor) با پره‌های ثابت (Stator)

• انتقال حرارت شدید در بخش‌های داغ مثل توربین گاز

کمپرسورها

کمپرسورها برعکس توربین‌ها عمل می‌کنند و با دریافت توان مکانیکی، سیال را فشرده و شتاب می‌دهند. جریان در کمپرسورها معمولاً دارای ویژگی‌های زیر است:

• گرادیان فشار مثبت و احتمال بالای استال

• حساسیت زیاد به یکنواختی جریان ورودی

• شوک‌های ناپایدار در کمپرسورهای محوری و پره‌های مافوق‌صوت

• لایه مرزی ضخیم و مستعد جدایش

• اندرکنش دینامیکی میان استیج‌های متوالی

تصویر شبیه سازی شده توربین

۲. چالش‌های اصلی CFD در شبیه‌سازی ماشین‌های دوار

شبیه‌سازی این تجهیزات نیازمند ترکیبی از مدل‌سازی دقیق هندسه، مش‌بندی حرفه‌ای و انتخاب مدل فیزیکی مناسب است. مهم‌ترین چالش‌ها عبارت‌اند از:

 مش دینامیک و نواحی چرخان

• استفاده از Sliding Mesh یا MRF (Frame of Reference)

• کنترل Gap بین پره‌ها و جلوگیری از skew

• مش بسیار ریز در نوک پره‌ها و لبه خروجی

 جریان‌های توربولانسی پیچیده

• گردابه‌های سکاندار، Tip Vortices

• جدایش گسترده در کمپرسورهای محوری

• اندرکنش‌های پره‌ای که باعث نوسانات فشار (Pressure Fluctuation) می‌شود

 رفتار تراکم‌پذیری

• وجود شوک‌های قوی در ردیف‌های پره‌ای

• موج‌های انبساطی و تراکم در توربین گاز

• حساسیت عددی زیاد در ماخ‌های نزدیک ۱

 نیاز به تحلیل گذرا (Transient)

تحلیل پایا در بسیاری از موارد پاسخ کامل نمی‌دهد؛ زیرا:

• اندرکنش Rotor–Stator ذاتاً گذرا است

• شوک‌ها در کمپرسورهای مافوق‌صوت ناپایدار هستند

• ارتعاش جریان موجب نوسانات شدید بازده می‌شود.

۳. مدل‌های توربولانس پیشنهادی

 مدل پیشنهادی اصلی: k–ω SST

به دلیل دقت بالا در پیش‌بینی جدایش، مدل غالب در توربین و کمپرسور است.

مدل‌های قابل استفاده:

• k–ε Realizable: مناسب هندسه‌های صنعتی اما دقت کمتر در جدایش

• Transition SST: برای مدل‌سازی انتقال لایه مرزی (ویژه کمپرسور)

• RNG k–ε: برای جریان‌های چرخشی با شدت تلاطم بالا

• LES / DES: برای تحلیل دقیق دینامیکی، اما بسیار پرهزینه

۴. نکات کلیدی در مش‌بندی

نواحی مهم:

• لبه حمله و خروجی پره‌ها

• ناحیه Tip Clearance (نقطه ضعف عملکرد)

• دیواره‌ها (تضمین y+ مناسب)

• Interface بین Rotor و Stator

توصیه‌ها:

• y+ بین ۱ تا ۵ برای مدل SST

• استفاده از Inflation Layer با حداقل ۱۵ لایه

• نسبت Aspect Ratio کنترل‌شده

• مش Unstructured در نواحی پیچیده + Structured در میان‌پره‌ای

جمع‌بندی

شبیه‌سازی توربین و کمپرسور یک مسئله ساده هندسی یا یک جریان پایا نیست؛ بلکه ترکیبی از فیزیک پیچیده، مش‌بندی دقیق، مدل‌سازی مناسب و تحلیل گذرا است. کلید موفقیت در این شبیه‌سازی‌ها انتخاب مدل توربولانس صحیح، استفاده از مش با کیفیت بالا، و درک عمیق رفتار Rotor–Stator است. یک مدل‌سازی دقیق می‌تواند در هزینه‌های ساخت، تست و طراحی صنعتی صرفه‌جویی بسیار بزرگی ایجاد کند.