طراحي معكوس پروفيل مجراي نصف النهاري چرخ پمپ گريز از مركز با استفاده از الگوريتم گلوله-اسپاين

Inverse Design of Meridional Flow Passage Shape of Centrifugal Pump Impeller Using Ball-Spine Algorithm

در كار حاضر، روش طراحي معكوس گلوله-اسپاين براي اصلاح هندسه پمپ گريز از مركز بصورت شبه سه بعدي در صفحه نصف النهاري و در مرجع دوار و رژيم جريان لزج تراكم ناپذير با هدف بهبود عملكرد آن توسعه يافته است. در اين روش، تحليل عددي جريان لزج روي يك صفحه نازك جريان بين دو پره توسط يك حلگر لزج سه بعدي با اصلاح هندسه ديواره حفاظ جلو و حفاظ پشتي پروانه توسط الگوريتم گلوله-اسپاين تركيب مي شود. بعبارت ديگر، به جاي حل معادلات غيرلزج شبه سه بعدي جريان روي صفحه نصف النهاري، معادلات كامل سه بعدي ناويراستوكس آشفته روي صفحه جريان حل مي گردد. نخست پمپ گريز از مركز بصورت عددي مطالعه شده و نتايج عددي با نتايج تجربي مقايسه مي شوند و ميدان جريان در پروانه پمپ با استفاده از روش شبه سه بعدي در صفحه نصف النهاري بدست مي آيد. قابليت الگوريتم طراحي معكوس با بررسي آن در هندسه دوار و انتخاب فشار استاتيك و فشار كاهش يافته بعنوان پارامتر هدف مورد ارزيابي قرار مي گيرد. سپس با تعريف توزيع فشار هدف روي سطوح حفاظ جلو و حفاظ پشتي مجرا و تلاش جهت حذف گراديان هاي اضافي فشار، هندسه چرخ جديد مطابق با توزيع فشار اصلاح شده حاصل مي گردد. نتايج بدست آمده بيانگر سرعت همگرايي و پايداري مطلوب روش گلوله-اسپاين در طراحي مجاري دوار با جريان لزج تراكم ناپذير مي باشد. افزايش فشار استاتيك در طول خط جريان، افزايش 1 درصد هد كل پمپ و تاخير در شروع كاويتاسيون پمپ از جمله نتايج اين تلاش مي باشد.

In the present work, an inverse design algorithm called Ball-Spine (BSA) is developed as a quasi-3D method on the meridional plane of a centrifugal pump impeller with rotating frame and incompressible viscous flow within it, with the aim of improving its performance. In this method, numerical analysis of viscous flow on a thin plane of flow between two blades using a 3D viscous flow solver is combined with BSA, which modifies hub and shroud geometries. Namely, instead of solving inviscid quasi-3D flow equations in the meridional plane, full 3D Navier-Stokes equations is solved on the thin plane of flow. To show the validity of the present work, centrifugal pump is numerically evaluated and numerical results are compared with experimental results, and flow field in the meridional plane of pump impeller is obtained using quasi-3D method. By studying the algorithm in the rotating geometry and choosing static pressure and reduced pressure as target parameters, the ability of performance of the algorithm is assessed. After that, the new impeller geometry is obtained in conformity with the modified pressure distribution by defining target pressure distribution on the hub and shroud surfaces of the conduit and trying to eliminate excess pressure gradients. Obtained results indicate good rate of convergence and desirable stability of BSA in the design of rotating conduits with incompressible viscous fluids. By using the above-mentioned optimization method the following results were observed: increase of static pressure along streamline, 1% increase in the pump total head, delay in impeller cavitation inception.