원심 펌프 및 축 팬은 모터의 기계적 에너지를 이동하는 유체의 에너지로 변환하여 작동됩니다. 원심 펌프에서 흐름은 축 방향으로 유입되고, 임펠러를 통해 회전하며, 볼루트를 통해 전달된 후에 방사형으로 토출됩니다. 대부분의 원심 펌프는 액체의 압력을 높이거나 액체가 하나 이상의 파이프를 통해 흐르도록 하는 데 사용됩니다.

축 팬에서 공기는 여러 블레이드로 구성된 회전 임펠러를 통과할 때 가속됩니다. 대부분의 축 팬은 주로 환기를 위해 공기 속도를 높이기 위해 사용됩니다.

목표

대부분의 펌프 및 팬 응용 사례는 다음과 같은 지정된 조건에서의 작동 지점을 확인하는 데 집중합니다.

• 런아웃 유량(0 손실 헤드에서) 확인
• 지정된 손실 헤드에서의 유량 확인
• 지정된 유량에서의 헤드 확인
• 헤드 용량 곡선(성능 특성) 확인

또 다른 목표는 흐름의 비효율성 소스를 파악하는 것입니다. 이러한 비효율성은 블레이드 통과에서 흡입 측면의 재순환 영역 또는 임펠러 출구 근처의 제트 후류 패턴으로 인해 나타날 수 있습니다.

응용 예제

• 물 펌프
• 냉각 팬(축 흐름)
• 냉각 팬(방사형 흐름)

모델링 전략

• 관련이 없는 기능을 없앤 오류 없는 CAD 형상은 해석 효율성 향상에 반드시 필요합니다. 특히 임펠러 및 볼루트 케이싱에서 작은 모서리 및 조각 표면을 제거합니다. 마모 링 및 패킹 주위의 작은 간격을 닫습니다.

• 흡입(입구) 및 방출(출구)을 임펠러로부터 3-4 이상의 유압 지름만큼 연장합니다. 이러한 작업은 경계 조건이 결과에 직접 영향을 미치지 않도록 하는 데 필요합니다.

• 회전 영역은 정적 부품에 닿지 않고 임펠러를 바로 감싸야 합니다. 이 영역이 임펠러 및 물가름의 외부 지름 중간을 연장해야 합니다. 회전 영역 지침에 대한 자세한 내용을 보려면 여기를 클릭하십시오.

• 펌프 하우징의 날 앞 모서리와 볼루트 혀 주위의 로컬 메쉬 미세 조정을 용이하게 하기 위해 별도의 표면을 사용하여 구성합니다(날 또는 볼루트 영역 위로 확장되는 큰 표면 대신). 이렇게 하면 이러한 중요 영역에 로컬 메쉬 미세 조정을 훨씬 더 쉽게 적용할 수 있습니다.

• 축 팬 모형의 일반 모형 구성은 원통형 회전 영역으로 둘러싸인 임펠러로 구성됩니다. 입구 및 출구에 확장이 추가되고, 회전 영역에서 3-4의 유압 지름이 확장됩니다.

해석 설정

재질

• 회전 영역 재료를 작성한 후 임펠러 주변 체적에 지정합니다. 재료 편집기에서 시나리오 유형을 알려진 회전 속도로 설정합니다. 테이블을 사용하여 회전 속도를 지정하고 50개가 넘는 시간 단계 동안 회전 속도를 0에서 전속력으로 증가합니다.

• 예제

  • 5블레이드 터빈이 3000 RPM에서 회전하는 경우 블레이드 패스 시간 단계 크기는 72도(360 / 5 = 72 )를 회전하는 데 필요한 시간입니다.
  • 3000 RPM에서는 0.004초의 시간 단계가 됩니다. (D / N x 6 = 72 / (3000)x(6) = 0.004)
  • 50개가 넘는 시간 단계 동안 전속력 회전을 얻는 데 필요한 시간은 0.2초입니다. (50 x 0.004 = 0.2초) 회전 속도 테이블 값은 다음과 같습니다.

임펠러 속도(RPM)	시간, 초
0	0
3000	0.2
3000	100

경계 조건

• 흡입 입구에서 압력 = 0을 지정합니다.

• 출구 조건은 해석의 목적에 따라 결정됩니다.

  • 런아웃 유량 확인: 토출에 압력 = 0을 지정합니다.
  • 지정된 헤드에서의 유량 확인: 토출에 과도 압력 조건을 지정합니다. 100 이상의 시간 단계에서 압력을 0에서 목표 값까지 변경하려면 구간 선형 분포를 사용합니다.
  • 지정된 유량에서의 헤드 확인: 토출에 과도 체적 유량을 지정합니다. 100 이상의 시간 단계에서 유량을 0에서 목표 값까지 변경하려면 구간 선형 분포를 사용합니다. 흐름 방향을 모형 밖으로 지정하려면 테이블에 음수 흐름 값을 지정합니다.

메쉬

• 열 전달이 관련이 없는 경우 임펠러, 볼류트 케이싱 및 마모 링과 같은 솔리드 부품을 억제합니다.
• 자동 크기 조정 또는 수동 크기 조정을 사용하여 메쉬 분포를 정의합니다.
  • 자동 크기 조정은 형상 곡률을 기준으로 분포를 작성합니다. 전체 모형에 메쉬 그라데이션 혼합을 시도합니다. 회전 영역에서 균일 간격 사용 설정을 사용합니다. 이렇게 하면 메쉬 크기 변형으로 인한 흐름의 인공 그라데이션이 방지됩니다.
  • 또는 수동 메쉬 크기 조정을 사용합니다. 일반적인 전략은 해당 크기에 따라 부품에 요소 크기를 지정하고 표면 및 모서리 크기 조정을 사용하여 미세 조정을 수행하는 것입니다.
• 다음과 같은 고려 사항이 두 메쉬 전략에 적용됩니다.
  • 미세한 메쉬 밀도는 성공적인 해석을 위해 매우 중요합니다. 회전 장치의 흐름 그라데이션은 높기 때문에 이를 해석할만큼 충분히 정밀해야 합니다.
  • 곡률이 충분히 나타나도록 베인 선행 가장자리 및 볼류트 혀에서 로컬로 메쉬를 미세 조정합니다. 이러한 영역은 일반적으로 중요하며 여기에서 큰 압력 및 흐름 그라데이션이 발생합니다.
  • 각 통로의 흡입 측면에서 메쉬 분포를 확인합니다. 역압력 그라데이션이 이 영역에서 자주 발생하므로 흐름 그라데이션을 해결하려면 메쉬가 충분히 있어야 합니다.
  • 회전 영역 내에 있는 절점 종횡비가 100 이하인지 확인합니다. 종횡비를 확인하려면 결과 수량 대화상자에서 스트림 기능을 사용 가능으로 설정하고 0 반복을 실행하십시오. 등위면을 작성하여 절점 종횡비를 시각화합니다.

감시 점

압력 및 유량을 모니터링하려면(속도에 출구 면적 곱하기) 입구 중심에 감시 점을 작성합니다.

이를 위해 다음을 수행합니다.

1. 모형을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭한 후 메뉴에서 감시 점을 클릭합니다.
2. 점을 배치하고 추가를 클릭합니다.

실행 중

시간 단계 크기 및 실행할 시간 단계 수

회전 속도 및 경계 조건 증가 때문에 흐름이 적절히 시작될 수 있도록 충분한 시간 단계를 실행한 다음 완전히 전개된 흐름에 도달하도록 충분한 회전 수를 실행하는 것이 중요합니다. 다음 세 단계로 해석을 실행하는 것이 좋습니다.

1단계: 회전 속도 및 경계 조건을 증가시킵니다.

2단계: 단일 날 패스 간격과 같은 시간 단계를 사용하여 20번의 완전한 회전으로 완전히 전개된 흐름을 얻습니다.

3단계: 3도 통과와 동일한 시간 단계를 사용하여 1번 회전합니다. 이 최종 회전으로 흐름, 압력 및 유압 토크가 안정 상태에 도달했음이 보장됩니다.

각 단계에 대해 실행할 올바른 시간 단계 크기 및 시간 단계 수를 결정하기 위해 몇 가지 계획 및 간단한 계산이 필요합니다. 이 과정은 예제를 통해 쉽게 설명할 수 있습니다.

예제

블레이드가 5개인 임펠러는 3000RPM으로 회전합니다. 블레이드 간 시간 단계 크기는 0.004초입니다. t = D / N x 6. (D = 360 / 날 수, N = RPM), t = 72 / (3000)x (6) = 0.004s

1단계:

• 회전 속도가 증가하려면 50개의 시간 단계가 필요합니다. 이것은 0.004 x 50 = 0.2초입니다.
• 출구 경계 조건에는 추가로 50개의 단계가 필요합니다. 이것은 0.004 x 50 = 0.2초입니다.

총 0.4초와 100개의 시간 단계가 경과되었습니다.

2단계:

• 최대 속도에서, 20번의 완전한 회전을 위해 추가로 100개의 단계가 필요합니다. (통과당 1개 시간 단계에서, 회전당 5개 단계가 필요하므로 20번 회전하는 데 100개 단계가 진행됩니다.) 이로 인해 0.4초가 추가로 소요됩니다.

추가적인 0.4초와 100개의 추가 시간 단계가 경과되었습니다.

3단계:

시간 단계당 3도 회전하기 위한 시간 단계는 0.000167s(t = 3 / N x 6 = 3 / (3000) x (6) = 0.000167초)입니다.

• 시간 단계당 3도에서, 1번 회전하는 데 120개 단계가 필요합니다.

3단계의 경우 추가적인 0.02초와 120개 단계가 경과되었습니다.

요약하면 다음과 같습니다.

	시간 단계 크기	시간 단계 수
1단계	0.004s	100
2단계	0.004s	100
3단계	0.000167s	120

결과 추출

• 시간별 유압 토크를 보려면 결과 (탭) > 검토(확장 패널) > 회전 영역 결과를 클릭합니다. 또한 이 데이터는 시나리오가 포함된 폴더에 있는 외부 "csv" 파일에 저장되므로 Excel로 가져와 그래프로 작성할 수 있습니다.

• 출구에서 작성한 감시 점을 사용하여 솔루션 진행 상태를 추적합니다. 이렇게 하면 중요 영역에서의 솔루션 진행 상태를 중점적으로 볼 수 있습니다.

• 그래픽 결과를 애니메이션하려면

  1. 시간 단계를 한 블레이드 패스의 절반으로 설정합니다.
  2. 해석 대화상자에서 저장 간격을 1로 설정합니다.
  3. 해석을 계속 진행하고 완전히 한 바퀴 회전할 수 있을 만큼 충분한 시간 단계를 실행합니다.

• 헤드 용량 특성 곡선을 계산하려면

  1. 단일 작동 지점을 설정하고 실행합니다.
  2. 시나리오를 복제하고 출구 유량 또는 압력 상승을 변경합니다. 실행...
  3. 나머지 작동 지점에 대해 2단계를 반복합니다.
  4. 출구에 절단 평면을 작성하고 요약 평면으로 지정합니다.
  5. 결정 기준에서 요약 평면 분기를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 임계 값 업데이트를 클릭합니다.
  6. 출력 막대에 요약 평면 탭이 표시되는지 확인합니다. 저장 버튼을 클릭합니다.
  7. 데이터가 "csv" 파일로 저장됩니다. 파일을 Excel에서 열고 모든 시나리오에 대해 압력 및 유량을 플로팅합니다.

피해야 할 사항

• 충분한 메쉬를 정의하지 않습니다. 회전 해석이 일반적으로 정적 해석보다 메쉬 분포에 더 민감합니다. 날의 선행 모서리, 볼루트 혀 및 날 통로의 흡입 측면처럼 그라데이션이 높은 영역이 적절하게 메쉬되었는지 확인합니다.

• 충격 시작을 피합니다. 충격 시작은 해석 시작 지점에서 전체 회전 속도가 지정된 시점입니다. 이러한 상황은 실제가 아니기 때문에 날 통로에서 분리 영역으로 이어질 수 있으므로 피해야 합니다. 또는 위에 설명된 대로 테이블 정의를 사용하여 회전 영역의 회전 속도를 점차적으로 늘립니다.

• 토출에 0이 아닌 압력 또는 유량을 직접 적용하지 마십시오. 회전 속도가 증가하면 종료 조건을 서서히 증가시킵니다. 이렇게 하지 않으면 흐름이 잘못된 방식으로 펌프를 통해 이동합니다.