شبیه‌سازی پدیده کاویتاسیون در پمپ گریز از مرکز

شبیه‌سازی پدیده کاویتاسیون در پمپ گریز از مرکز

مقدمه

پمپ‌های گریز از مرکز (Centrifugal Pumps) یکی از پرکاربردترین تجهیزات انتقال سیال در صنایع مختلف هستند؛ از تأسیسات آب‌رسانی گرفته تا صنایع نفت و گاز، پتروشیمی، نیروگاه‌ها و سیستم‌های خنک‌کاری. یکی از چالش‌های مهم این پمپ‌ها پدیده کاویتاسیون (Cavitation) است؛ پدیده‌ای که زمانی رخ می‌دهد که فشار محلی سیال در بخشی از پمپ از فشار بخار آن کمتر شود. نتیجه آن تشکیل حباب‌های بخار، انفجار ناگهانی آنها و در نهایت آسیب شدید به پره‌ها، کاهش بازده و افزایش لرزش و صدا است.

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) ابزاری قدرتمند برای شبیه‌سازی و تحلیل این پدیده پیچیده فراهم کرده است. در این مقاله به زبان روان و قابل فهم، اما دقیق و علمی، روند شبیه‌سازی کاویتاسیون در پمپ گریز از مرکز را بررسی می‌کنیم.

بخش‌های اصلی

۱. ماهیت پدیده کاویتاسیون

کاویتاسیون زمانی آغاز می‌شود که فشار در نزدیکی ورودی پروانه (Impeller) به حدی کاهش پیدا کند که سیال شروع به تبخیر نماید. حباب‌های ایجادشده همراه با جریان حرکت کرده و در نواحی با فشار بالاتر فرو‌می‌پاشند (Collapse). همین فروپاشی باعث ایجاد ضربات موضعی بسیار قوی می‌شود.

این پدیده نه‌تنها عملکرد پمپ را مختل می‌کند، بلکه می‌تواند عمر کاری تجهیزات را به شدت کاهش دهد. بنابراین مدل‌سازی دقیق آن برای طراحی و بهینه‌سازی ضروری است.

۲. مدل‌سازی عددی کاویتاسیون

برای شبیه‌سازی کاویتاسیون در CFD، چند مرحله مهم وجود دارد:

الف) ایجاد هندسه و شبکه‌بندی (Geometry & Meshing)

هندسه شامل اجزای اصلی پمپ مانند پروانه، حلزون (Volute) و ورودی است.
مش‌بندی معمولاً به‌صورت حجم محدود انجام می‌شود و مناطق نزدیک لبه پیشرو (Leading Edge) و نواحی کاهش فشار، نیازمند مش ریزتر هستند.

ابزارهای محبوب:

• ANSYS Meshing

• ICEM CFD

• Pointwise

کیفیت مش در شبیه‌سازی کاویتاسیون بسیار اهمیت دارد، زیرا ناحیه تشکیل حباب‌ها معمولاً بسیار کوچک و حساس است.

ب) مدل چندفازی مناسب برای کاویتاسیون

مدل‌های مختلفی برای شبیه‌سازی کاویتاسیون وجود دارند که رایج‌ترین آن‌ها عبارتند از:

• Schnerr–Sauer Model
  یکی از دقیق‌ترین مدل‌ها برای پیش‌بینی نرخ تشکیل و فروپاشی حباب‌ها.

• Zwart–Gerber–Belamri Model
  مورد استفاده در بسیاری از پروژه‌های صنعتی به دلیل پایداری عددی بالاتر.

• Rayleigh–Plesset Based Models
  مناسب برای مطالعات آکادمیک عمقی.

این مدل‌ها معمولاً در نرم‌افزارهایی مانند ANSYS Fluent، CFX یا COMSOL Multiphysics در دسترس هستند.

ج) مدل‌های توربولانسی (Turbulence Models)

از آنجایی که کاویتاسیون ماهیتی کاملاً وابسته به رفتار جریان آشفته دارد، مدل توربولانسی مناسب اهمیت زیادی دارد.

• k–ω SST: محبوب‌ترین انتخاب برای این مسئله

• RNG k–ε: پایدارتر و سریع‌تر اما کمتر دقیق در نواحی جدایش

• RSM: دقیق‌تر برای جریان‌های پیچیده، ولی سنگین از نظر محاسباتی

د) شرایط مرزی و تنظیمات حلگر

• سرعت یا دبی ورودی (Mass Flow / Velocity Inlet)

• فشار در خروجی (Pressure Outlet)

• دیواره‌های بدون لغزش (No-Slip Wall)

• تعریف فشار بخار سیال

در Fluent معمولاً حلگر Pressure-Based استفاده می‌شود، اما در CFX حلگر مبتنی بر Coupled Solver برای مسائل کاویتاسیون عملکرد قوی‌تری دارد.

کاربردهای شبیه‌سازی کاویتاسیون

• طراحی پمپ‌های گریز از مرکز با بازده بالاتر

• کاهش آسیب ناشی از کاویتاسیون

• افزایش عمر پره‌ها و اجزای پمپ

• تحلیل شرایط عملکرد بحرانی در سیستم‌های انتقال آب

• پیش‌بینی لرزش و صدا در شرایط کاویتاسیون

• کمک به تعیین حداقل NPSH لازم برای جلوگیری از کاویتاسیون

• ارزیابی عملکرد پمپ تحت سیالات مختلف (آب، نفت، محلول‌ها)

مزایا و چالش‌ها

مزایا

• قابلیت مشاهده نواحی کاویتاسیون بدون نیاز به آزمایش‌های پرهزینه

• امکان بررسی اثر تغییر طراحی در مدت زمان کوتاه

• جلوگیری از خرابی زودرس تجهیزات

• دقت بالا در پیش‌بینی رفتار حباب‌ها

چالش‌ها

• حساسیت شدید نتایج به کیفیت مش

• وابستگی مدل‌ها به انتخاب پارامترهای تجربی

• دشواری در همگرایی به‌ویژه در شرایط نزدیک به واماندگی پمپ

• هزینه محاسباتی بالا در مدل‌های دقیق مانند RSM یا LES

مثال‌های واقعی

در صنایع آب و فاضلاب، بسیاری از پمپ‌ها با کاویتاسیون زودهنگام مواجه می‌شوند. مهندسان با استفاده از Fluent یا CFX جریان داخل پمپ را شبیه‌سازی کرده و نشان داده‌اند که تنها با تغییر مختصر در زاویه پره می‌توان شدت کاویتاسیون را کاهش داد.

در صنعت نفت نیز بررسی عملکرد پمپ‌ها تحت سیالات با دما و فشار متفاوت تنها از طریق CFD امکان‌پذیر است. برخی پروژه‌ها حتی نشان داده‌اند که کاویتاسیون می‌تواند باعث خوردگی نقطه‌ای شدید در مدت زمان کوتاه شود.

جمع‌بندی

شبیه‌سازی پدیده کاویتاسیون در پمپ گریز از مرکز ابزاری قدرتمند در اختیار مهندسان قرار می‌دهد تا قبل از ساخت یا خرید تجهیزات، رفتار آنها را از نظر عملکرد، بازده و عمر کاری پیش‌بینی کنند. استفاده از مدل‌های چندفازی مناسب، انتخاب درست مدل توربولانسی و تنظیم دقیق شرایط مرزی همگی نقش کلیدی در رسیدن به نتایج قابل اعتماد دارند. نرم‌افزارهایی مانند ANSYS Fluent، CFX و COMSOL امکانات گسترده‌ای برای تحلیل این پدیده فراهم کرده‌اند.

رفرنس‌ها

1. Brennen, C. Cavitation and Bubble Dynamics, Oxford University Press.

2. ANSYS Fluent Theory Guide – Cavitation Models.

3. Kedrinskii, V. Hydrodynamics of Explosion and Cavitation.

4. Ferziger, J., Peric, M. Computational Methods for Fluid Dynamics.

5. Gülich, J. Centrifugal Pumps, Springer.

برچسب‌ها

Cavitation، Centrifugal Pump، CFD، Multiphase Flow، ANSYS Fluent، CFX، COMSOL، Turbulence Modeling، Schnerr–Sauer، Numerical Simulation