Akış simulasyonları-tasarımda kalitenin anahtarı
Sulzer Grubu'nda, Sayısal Akışkanlar Dinamiği (CFD), önemli bir çekirdek teknoloji olmaya doğru hızlı bir gelişim göstermiştir. Artık, akışkan akışını içeren birçok Sulzer ürününün tasarımı ve geliştirilmesi, çoğu kez bu tekniğin yardımıyla olmaktadır. Turbomakinalar, proses tesisleri, makina mühendisliği cihazları, binaların içindeki ve çevresindeki hava akımları, kardiyovasküler odacıklarda kanın akışı kılınması ile iyileştirilir.
içeren birçok Sulzer ürününün tasarımı ve geliştirilmesi, çoğu kez bu tekniğin yardımıyla olmaktadır. Turbomakinalar, proses tesisleri, makina mühendisliği cihazları, binaların içindeki ve çevresindeki hava akımları, kardiyovasküler odacıklarda kanın akışı gibi Sulzer ürün bölümlerinin hemen hepsinde bu örnekler vardır.
Endüstriyel CFD'de bugünkü durum
Eskiden donatım ve modellerle yapılan deneyler için gerekli olan çabayla karşılaştırıldığında, CFD'nin kullanılması, tasarımdaki
maliyet verimi ve zaman ölçeğin de çok büyük gelişmeler sağlan maktadır. Tipik olarak, bir simulasyonun maliyeti eşdeğer de-neyin, yalnızca % 20'sidir. ayrıca; pahalı parçaların CFD uygulaması aşamasında üretilmesine gerek olmadığı için, önemli ölçüde bir zaman tasarrufu da sağlanacaktır. Simulasyon; karmaşık test koşullarına gerek olmaması (bilgisayar simulasyonu tüm ilgili koşullarda aynı kolaylıkla rahatlıkla yapılabilir) ve akışın özelliklerini deneylerin yapabildiğinden daha ayrıntılı gösteren çok hassas çözümlerle veri sağlaması açısından da üstündür.
Türbülanslı akışların rastlantısal olan doğaları, olağan dışı bir şekilde, karmaşıktır. Bu durum, birçok sıradan olayın gözlemlenmesi ile açıkça görülebilir: Sigaradan çıkan dumanın yayılması, suyun bir banyo küvetini doldurması, bayrağın rüzgarda dalgalanması vs. (Şekil 1). Türbülansın düzensiz yapısının akış üzerindeki etkilerini hesaplamak için üst derecede teorik bir çok model geliştirilmiştir. Bugün, endüstrideki CFD uygulamaları, evrensel olarak, üç aşağı beş yukarı, Reynolds Orta-lamalı Navier-Stokes Denklemleri adı verilen denklemlerin uygun bir türbülans modeli ile çözümü temeline dayanmaktadır. Bu yöntemlerde, türbülanslı salınımların ayrıntıları modellenmeksizin, türbülansın ortalama akış üzerindeki etkileri gözönüne alınır. Laminer akışlardaki, moleküler yayılımdan kaynaklanan viskoz gerilmelere benzer olarak, modeller, türbülanslı "eddi'lerin hareketlerinin neden olduğu eşdeğer türbülanslı gerilmeleri gözönüne alır. Şu halde, modellemenin görevi, türbülanslı eddi viskozitesi adı verilen özellik için kalıcı bir tanımlamanın belirlenmesine indirgenmiş olur. Bilgisayarların işlem güçlerindeki olağan dışı ilerleme ve CFD algoritmalarının anlaşılmasındaki yeni gelişimeler, mühendisin mühendislik alanına giren akışlardaki türbülanslı viskoziteyi modelleme becerisinde, bu gelişmelerin yerini alabilecek hiçbir oluşumla karşı-laştırılmamıştır. Endüstriyel CFD hesaplamaların niteliğine, son kertede sınırı koyan, işte simulasyo-nun bu özelliğidir. CFD simulas-yonlarını kullanarak, kaliteli tasarımı başarabilmek için, bilgisayar kodunu, tasarımın optimizasyonu amacıyla kullanmadan önce, CFD sonuçlarının doğruluğunu fiziksel testlerle kanıtlamak gereklidir.
Sulzer'de CFD'nin geçerli kılınması
Kesin yanıtlara gerek duyulduğunda, CFD kodu, ilk önce tasarlanacak parça ile benzer akış özelliklerini taşıyan bir deney düzeneğine uygulanmalıdır. Akış hızlarının ve basınç alanlarının ayrıntılarını veren geniş ölçüm verisine sahip deneyler, kodun sonuçlarıyla karşılaştırılmalıdırlar. Mümkün olduğunda, bu deney koşulları, literatürde mevcut ilgili durumlara uyarlanır. Fakat; sıklıkla, bunun için amaca yönelik modeller üzerinde yeni deneyler yapılması gerekli olur. Sulzer'deki yaklaşım, ihtiyaç duyulan yüksek kaliteli verinin sağlanması için, bu tür la-boratuvar deneylerinin uygun bir nüfuzsuz lazerli akış hız ölçeri ile yapılmasıdır. Bu, genellikle söz konusu amaca uygun yürütülen araştırma geliştirme projeleri çerçevesinde farklı akış cihazları için gerçekleştirilir. CFD modelinin kabul edilebilir kesinlikte sonuçlar verdiğinden emin olabilmek için, simulasyonun sonuçları, ölçümün verileriyle karşılaştırılabilir. Bu aşamadan sonra, tasarım mühendisi, CFD simulasyonunu, akışın önemli ayrıntılarının kesinlikle öngörüldüğü güveni ile yeni tasarımlara uygulalayabilir. Modellerin sınırları, akış alanının tipine bağlı olduğu için, yöntemlerin gerçek parçalardaki akış yapısı tipini sergileyen fiziksel test donanımlarında geçerli kılınması gerekir. Örneğin; CFD kodunun bir pompa yayıcısmdaki akış ayrılmalarını öngörme yeteneği bir model pompa ile (Şekil 2), bu kodun bir bürodaki havanın kaldırma kuvvetini belirleme yeteneği ise uygun bir büroda alınan ölçümlerle (Şekil 3) test edilmelidir. Sulzer'de yakın zamanda ' celenen test geometrileri şunlardır:
Buhar türbinlerindeki by-pass vanaları, ısıl püskürtme cihazlarında-ki ses-üstü lüleler, eksenel kompresörler (Şekil 4), pompa çarkları ve yayıcıları, su türbinleri, kalp kapakçıkları (Şekil 5), statik karıştırıcılar, kağıt tesislerindeki hid-rosiklonlar ve binalarda iç hava hareketleri.
CFD ve deneysel analizin birlikte uygulanması
CFD, sıklıkla, sınırlı test cihazlarıyla açığa çıkarma olanağı bulunmayan akış özelliklerine ışık tuttuğu için, CFD'yi geçerli kılma sürecindeki mühendisler CFD analizi ve deneylerin birlikte yürütülmesinden çok yararlanırlar. Deneme hesaplan; ağ yapısı, ağ sıklığı ve öngörülen akış alanının sınırlı koşulları gibi noktaları da incelemelidir ki, çözümün bu özelliklere bağlı hassasiyeti de bilinsin. CFD kodunu geçerli kılma sürecinde harcanan zaman ye çaba nedeniyle, bu süreç. kodu tasarı-ma uygulanmasından önce gelmelidir.
Bu tür çalışmalar bazen, türbülans modelinin ölçüm verilerini belirlemede yetersiz kalmasıyla özdeşle-şirler. Bu hatalardan dolayı, mühendislik tasarımcıları, sonuçların kalitesini; kodu, yalnızca, mutlfak koşullara uyarlayarak değil; kalibre edilmiş bir test durumunun koşullarını değiştirerek kullanıp iyileştirirler.
Endüstriyel CFD uygulamaları için Kalite Yönetimi (QM) sisteminde, bir kodun kalibrasyonu-nun, kodun tasarımda kullanılmasından önce, benzer şartlarda benzer bir parçada yapılan ölçümlerden elde edilen verileri kullanarak yapıldığından emin olunmalıdır. Bu durumda bile, kodun mutlak sonuçlarına tam olarak güvenmek değil; fakat, akış alanının etkilerini vurgulamak için paraı îler-deki ve uygulamadaki dedikler ile iyi kalibre edilmiş bir test şartına göre, kodu, karşılaştırmalı bir biçimde kullanmak akıllıcadır.
Sulzer Innotec AG Michael Casey, 15040 Postfach 414 CH 8401 WinterthurSvvitzerland
Telefon: + 41 52 262 2175
Faks: + 41 52 262 0154
Akış simulasyonu ile tasarım süreci
Tasarımcı tarafından, optimum akış koşullarını vermek üzere güvenilir bir şekilde kullanılacak CFD akış simulasyonunun uygulamasında beş temel adım vardır: İlk iki adım, kodun akışı doğru olarak verdiğinden emin olmak için, doğrulanması ile ilgilidir. İzleyen adımlar ise, tüm uygulamalar için benzer nitelikler taşımaktadır.
1.Adım: Kodun Geçerliliğinin Test Edilmesi.
Bir CFD kodu (programı), hatalardan arındırılması için, Kalite Yönetiminin (QM) kesin standartlarına göre geliştirilmiş olmalıdır. Kod, kullanıcı tarafından, programın satıcısı ile, sıkı işbirliğine gidilerek test edilmelidir. Görece olarak basit test koşulları, kontrol amacıyla kullanılır.
Ek olarak, kod ve kullandığı türbülans modeli karmaşık akış özelliklerine sahip ilgili test koşulları için denenmelidir. Bu amaçla, hız ve basınç dağılımının ayrıntılarını veren geniş bir ölçüm verisi grubu, kodun sonuçları ile karşılaştırılmada kullanılır. Bu durumda, tasarımcı, teorik modelin güvenilirliliğini vurgular ve buna göre davranır.
3.Adım: Ön İşlem (Ağ Üretimi)
Tasarımcı, yeni bir tasarımın geometrisini, genellikle bilgisayar yardımlı tasarım (CAD) biçiminde üretir. Hesaplama bölgesi 500.000'den 1.000.000'a kadar hacim elemanından oluşan ağ yapısına bölünür. Grid yüzeylerine; giriş, çıkış, katı duvar, periyodik değişimler gibi uygun sınır koşullan yerleştirilmelidir.
Hesaplama uygun bir akış adımı tahmini ile başlatılır ve akış son çözüme yakın sayıncaya dek ardışık olarak hassaslaştırılır. Her hesap adımında, kütle, momentum ve enerjinin korumunu veren denklemler incelenir ve bu inceleme o anki çözümün iyileştirilmesinde kullanılır. İleriki adımlar, akışta yalnızca küçük değişikliklere, tipik olarak 0.001 % mertebesi, neden olduklarında hesaplama tamamlanmış sayılır.
5.Adım: Son İşlem (Sonuçların Gösterilmesi)
Hesaplamaların sonuçlarına, ağın her hacim elemanı için, hız bileşenlerinin, basıncın, sıcaklığın ve türbülansın değerlerinin saklanması ile ulaşılabilinir. Daha sonra, bu büyük miktardaki veri toplluğu, akışkan parçacıklarının davranışını ve akıştaki kopuşları (ayrılmaları) gösteren renkli haritalar ve diyagramlar şeklinde, yöneticiler ve mühendisler için anlaşılır bir durumda görüntülenir. Tasarımcı; artık, akış istenen duruma gelinceye dek, geometriyi optimize edebilir.
Yazan: Michael Casey Çeviren: Hüseyin Onbaşıoğlu