25950

بررسي اثرات جريان اسلاري در عملكرد پمپ گريز از مركز

دكتري

مهندسي مكانيك

1393

1400/09/07

دكتر مهدي مقيمي - دكتر شهرام درخشان

مهندسي مكانيك

پمپ‌هاي گريزازمركز به طور گسترده‌اي براي انتقال مايعات با خواص مختلف استفاده مي‌شوند. از اين رو، ويژگي‌هاي عملكرد و پارامترهاي طراحي پمپ‌هاي گريزازمركز همواره مورد توجه پژوهشگران بوده است. در دهه اخير، راستاي پروژه¬هاي تحقيقاتي عمدتا بر موضوع بررسي تأثير خصوصيات جريان¬هاي چند-فازي بر رفتار پمپ¬هاي گريزازمركز متمركز بوده¬اند به گونه¬اي كه، مشخصه¬هاي عملكردي پمپ اعم از هد، دبي و بازده بطور مستقيم و با تعريف ضرايب افت، به مشخصه¬هاي جريان نيوتني مرتبط شده اند. لذا، در رساله حاضر تاثير جريان دو فاز جامد-مايع (جريان اسلاري) نيوتني و غيرنيوتني بر رفتار پمپ-هاي گريزازمركز از ديدگاه پارامتر طراحي ضريب لغزش، مورد توجه قرار گرفته است. در اين راستا براي رسيدن به هدف نهايي رساله در بهينه¬سازي هندسه پروانه به كمك پره¬هاي جداكننده (اسپليتر)، مراحل تحقيق در سه بخش شامل آزمايش هندسه اوليه، شبيه¬سازي عددي جريان و بهينه سازي پره¬هاي جداكننده انجام شده است. آزمايش پمپ به منظور بررسي رفتار كاهش هد در حضور جريان اسلاري نيوتني آب-دانه‌هاي شيشه‌اي (GBW)، و جريان اسلاري غير نيوتني آب-كائولن (KW) انجام شده است. در اين ارتباط منحني¬هاي هد-دبي در غلظت و سرعت دوراني¬هاي متفاوت براي دو اسلاري GBW و KWاستخراج شده¬اند. نتايج نشان داد كه با افزايش غلظت در هر دو نوع اسلاري ميزان افت هد، افزايش مي¬يابد. همچنين با افزايش سايز ذرات در اسلاري GBW افت هد بيشتري رخ مي¬دهد. در ادامه، با استفاده از نتايج شبيه¬سازي عددي جريان، توزيع ضريب لغزش و كسر حجمي ذرات در حضور GBW و KW در كانال پروانه محاسبه شد. در اين راستا، از داده¬هاي آزمايش جهت ارزيابي و اعتبار سنجي شبيه¬سازي عددي بهره گرفته شد. نتايج نشان داد كه ضريب لغزش در غلظت حجمي 21% براي اسلاري KW به مقدار اندكي در حدود 1% كاهش يافته است. با اين حال، رفتار كاهشي ضريب لغزش براي GBW شديدتر از KW است به گونه اي كه در غلظت حجمي 10%، كاهش ضريب لغزش بيش از 3% است. اين موضوع ناشي از تقويت نيروهاي كريوليس در ذرات با چگالي و اندازه بزرگ¬تر بوده كه منجر به انحراف بيشتر جريان و متعاقبا كاهش شديد¬تر ضريب لغزش مي¬شود. در گام آخر، با رويكرد بهبود و افزايش ضريب لغزش در كانال پروانه و همچنين بهبود عملكرد، بهينه¬سازي هندسه پروانه با بهره¬گيري از پره¬هاي جداكننده صورت گرفته است. به اين منظور از سه پارامتر طول، تعداد و موقعيت محيطي پره¬هاي جداكننده به عنوان پارامترهاي بهينه¬سازي و از تركيب روش¬هاي طراحي آزمايش، پاسخ سطح و الگوريتم ژنتيك به عنوان فرآيند بهينه-سازي استفاده شده است. در ادامه نتايج بهينه‌سازي دلالت بر نزديك بودن موقعيت محيطي پره¬هاي اسپليتر (موقعيت 2/67% از فضاي بين دو پره اصلي) به سطح فشار پره¬هاي اصلي دارد. همچنين تعداد و طول بهينه پره¬هاي اسپليتر به ترتيب 6 و 8/62% طول پره‌هاي اصلي به دست آمده است. نتايج شبيه¬سازي هندسه نهايي نشان مي¬دهد كه هد پمپ از 7/29 متر در پروانه اوليه به 7/31 متر و به ميزان 7/6%، در پروانه بهينه افزايش يافته و بازده در محدوده مقادير اوليه، حفظ شده است. از سوي ديگر، از تحليل اين نتايج استنباط مي¬شود كه انتقال نامطلوب نقطه بهترين بازده (BEP) پمپ به دبي پايين‌تر از پيامدهاي كاهش سطح موثر عبور جريان است كه در پي افزودن پره¬هاي جداكننده رخ مي¬دهد. بديهي است كه اهداف اين پروژه در حوزه غلبه بر اثرات جريان اسلاري مانند كاهش هد، بازده و سايش و متعاقبا افزايش كارايي سيستم انتقال جريان مي¬تواند پيش¬گامي نوين براي پژوهشگران در حوزه طراحي و ساخت نسل¬هاي نوين پمپ¬هاي اسلاري باشد.

1400/10/27

Investigation of Slurry Flow Effect on Centrifugal Pump Performance

11/28/2022 12:00:00 AM

Centrifugal pumps are widely used to pump fluids with different properties. The effect of examination of flow properties on performance characteristics and design parameters of centrifugal pumps is a major challenge for researchers. Optimal transfer of two-phase solid-liquid flow (slurry flow) has long been a major industrial challenge. Slurry pumps are among the most common types of centrifugal pumps used to deal with this transfer issue. In this regard, the objectives of this project have been achieved in three parts, by designing and constructing a test bed and validating numerical simulation results in Newtonian and non-Newtonian flows. In the first part of the thesis, the head reduction behavior is investigated experimentally by the presence of Newtonian slurry flow of water-glass-bead (GBW) and non-Newtonian slurry flow of water-kaolin (KW). In this regard, head-discharge curves in different concentrations and rotational speeds for GBW and KW have been extracted. The results showed that with increasing concentration in both types of slurries, the rate of head drop increases. Also, with increasing particle size in the GBW, more head drop occurs. In this way, larger and denser particles will have a greater effect on the flow direction and slip factor distribution in the impeller channel. In the second part of the thesis, the role of slip factor variations on the head of centrifugal pumps was investigated in the presence of GBW and KW slurry flows. The algebraic slip model was validated for two-phase numerical modeling against experimental data of the target case study. Finally, the slip factor and particle volume fraction were calculated based on validated numerical results (CFD analysis). It is found that the slip factor slightly decreased by about 1.0 % at volumetric concentration of 21.0 % for the KW slurry. However, decreasing behavior of slip factor for GBW is severe than KW in such a way that it is more than 3.0 % at volumetric concentration of 10.0 %. On the other hand, the results revealed that there is a bilateral relation between the head drop and rotational velocity, which in some cases are not aligned for GBW and KW slurries. This attributed to particle settling velocity and reciprocal effect of friction losses related versus viscosity changes. In the third part of the thesis, attempts to investigate the changes in the pump head by modifying the slip factor distribution in the impeller channel. For this purpose, the effect of splitter blades on slip factor distribution to improve the pump head was investigated using numerical simulation tools and validated based on experimental test data. Next, an optimization process was used to determine the characteristics of the splitter (i.e., length, number, and environmental position of the splitter) based on a combination of experimental design methods, surface response, and genetic algorithm. The optimization results indicate that the splitters were in a relative circumferential position of 67.2% to the suction surface of the main blade. Also, the optimal number and length of splitter blades were 6 and 62.8% of the length of the main blades, respectively. Because of adding splitter blades and the reduction in the flow passage, the best efficiency point (BEP) of the slurry pump moved toward lower flow rates. The result of splitter optimization was the increase in pump head from 29.7 m to 31.7 m and the upkeep of efficiency in the initial values. Obviously, the objectives of this project in the field of overcoming the effects of slurry flow such as reducing head, efficiency and wear and consequently increasing the efficiency of the flow transmission system can be a new initiative for researchers in designing and manufacturing new generations of slurry pumps.

پمپ اسلاري گريز از مركز , مطالعه تجربي , تحليل عددي , بهينه‌سازي , جريان نيوتني و غير-نيوتني , ضريب لغزش , پره هاي جداكننده

Centrifugal Slurry pumps , Experimental data , CFD analysis , Optimization , Newtonian and non-Newtonian flow , Slip factor , Splitter blade