Numerical Investigation on the Cavitating flow for a Multistage Centrifugal Pump : 다단 원심펌프의 공동현상에 대한 수치해석적 연구 :

라키부자만

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자료유형: 학위논문

저자정보: 라키부자만 (숭실대학교, 숭실대학교 대학원)

지도교수: Suh, Sang-Ho

발행연도: 2015

저작권: 숭실대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2015

Numerical Investigation on the Cavitating flow for a Multistage Centrifugal Pump : 다단 원심펌프의 공동현상에 대한 수치해석적 연구

라키부자만 기계공학과(일원) 2015.01 학위논문

2014

다단 원심펌프의 공동현상 유동해석

라키부자만 , 서상호 , 김형호 외 2명 한국유체기계학회 학술대회 논문집 2014.11 학술대회자료

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이 연구의 목적은 인버터로 구동되는 원심펌프의 성능특성과 캐비테이션 유동을 수치해석적으로 분석하는 것이다. 인버터 구동 원심펌프의 캐비테이션 유동 특성과 펌프 성능을 구하기 위해 CFD(Computational Fluid Dynamics)가 사용되었다. RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) 방정식과 SST (Shear Stress Transport) 난류 방정식을 유한체적법을 통해 이산화한다. 원심펌프의 캐비테이션을 분석하기 위해 Rayleigh-Plesset 모델이 적용되었다. 계산된 성능은 실험 자료를 통해 검증되었고, 두 결과가 유사함을 확인하였다. 캐비테이션 유동에서 수치해석 시뮬레이션은 정상상태와 비정상상태로 수행되었다. 정상상태에서 유량 변화에 따른 전양정 감소가 측정되었다. 또한, 캐비테이션의 시작점을 수치해석을 통해 시각화하였고, 전양정 감소에서 NPSH (Net Positive Suction Head)에 따라 캐비테이션의 발생을 나타내었다. 비정상상태에서 캐비테이션 전파의 거동을 표현하고, 유량 변화에 따른 전양정 감소가 계산되었다. 캐비테이션은 먼저 임펠러 깃 흡입면의 전단에서 발생하고, 슈라우드 근처의 압력은 허브의 압력보다 정상상태, 비정상상태 애서 모두 낮게 나타난다. 캐비테이션 수뿐만 아니라 NPSH의 값도 감소하고 공동의 길이는 상당히 증가한다. 전양정 감소로부터 캐비테이션 특성 커브가 얻어진다. 비정상상태에서 sheet 캐비테이션이 깃에서 0.000139초에 발생하여 시간 스텝에 따라 이동한다. 공동영역은 짧은 시간에 커지고, 이는 임펠러의 피팅을 형성하여 양정 감소를 야기시킨다. 정상상태에서는 시간에 따른 영향이 없으며 기포형태의 캐비테이션이 임펠러에서 발생된다. 이 경우 압력 분포는 깃의 전면부 근처에서 감소하는 흡입효과에 의해 영향을 받게 된다.

The purpose of this study is to investigate the performance characteristics and cavitating flows of an inverter drive centrifugal pump numerically. For computer simulations, CFD (Computational Fluid Dynamics) techniques are applied to get the pump performances and understand the cavitating flow characteristics of the inverter drive centrifugal pump. For this, the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations with shear stress transport (SST) turbulence equations are discretized by the finite volume method. The Rayleigh-Plesset cavitation model is adapted to analyze the cavitation in the centrifugal pump. The computed pump performances are validated with the experimental data. It found that both results were good agreement. In cavitating flows, the numerical simulations are carried out for steady state and transient states. In steady state, the total head drop lines are estimated for different flow rates. Also, the cavitation inception is visualized in numerically. The occurrence of cavitation described according to NPSH (Net Positive Suction Head) in the total head drop lines. In transient state, dynamic behavior of cavitation propagation is described and total head drop lines are estimated for different flow rates. Results found that cavitation occurred at first in the suction leading edge on the impeller blades, at which the pressure was smaller near the shroud than that of hub both the steady and transient state. After the value of NPSH decreases as well as cavitation number, the region of cavities grows to a significant extent. The cavitation characteristics curves are obtained from total head drop lines. In transient state, the progression of cavitation is started at 0.000139s and sheet cavitation occurs on the blade and then traveling cavitation occurs with the increasing time step. The propagation of cavity area is enlarged very shortly which also causes head drop the pump performance by the cavities, which could form pitting on the impeller. But in steady state flow, there was no relationship with time. Also, bubble cavitation is occurred on the impeller blade in steady flow. In this case, the pressure distribution is affected on the suction side of the impeller, reducing the suction effect near the blade leading edge.

ABSTRACT IN ENGLISH vii
ABSTRACT IN KOREAN ix
CHAPTER 1 Introduction 1
1.1 Motivation of the study 1
1.2 Purpose of the study 3
1.3 Literature review 4
1.4 Outline of the research 6
CHAPTER 2 Pump Performances and Cavitation 8
2.1 Pump performances 8
2.2 Cavitation 9
2.2.1 Types of cavitation 10
2.2.2 Cavitation number 11
2.2.3 Net positive suction head 12
2.2.4 Bubble dynamics 13
2.2.5 Cavitation detection and inception 14
CHAPTER 3 Numerical Analysis 17
3.1 Governing equations 17
3.2 Turbulence models 17
3.2.1 k-ε model 18
3.2.2 Shear Stress Transport (SST) model 19
3.2.3 Comparison of SST and k-ε turbulence model 20
3.3 Homogeneous cavitation model 21
3.4 Discretization equations 24
3.5 Numerical analysis 25
CHAPTER 4 Results and Discussion 33
4.1 Validation with experiment 33
4.2 Cavitation analysis 35
4.2.1 Cavitating flow 35
4.2.1.1 Steady flow 35
4.2.1.2 Transient flow 47
4.2.2 Cavitation characteristics 49
CHAPTER 5 Conclusion 53
REFERENCES 55
APPENDICES 60

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