درک آشفتگی جریان
تعریف: آشفتگی جریان چیست؟
آشفتگی جریان جریان آشفته، حرکت نامنظم و آشفته سیال است که با نوسانات تصادفی سرعت، گرداب‌های چرخشی و گردابه‌ها در پمپ‌ها، فن‌ها، کمپرسورها و سیستم‌های لوله‌کشی مشخص می‌شود. برخلاف جریان آرام و هموار که ذرات سیال در مسیرهای موازی منظم حرکت می‌کنند، جریان آشفته حرکت سه‌بعدی تصادفی با سرعت و فشار متغیر مداوم را نشان می‌دهد. در ماشین‌آلات دوار، آشفتگی نیروهای ناپایداری را بر روی پروانه‌ها و تیغه‌ها ایجاد می‌کند و پهنای باند ایجاد می‌کند. لرزش, ، سر و صدا، تلفات انرژی و کمک به فرسودگی اجزا.
اگرچه مقداری آشفتگی اجتناب‌ناپذیر و حتی در بسیاری از کاربردها مطلوب است (جریان آشفته، اختلاط و انتقال حرارت بهتری را فراهم می‌کند)، آشفتگی بیش از حد ناشی از شرایط ورودی نامناسب، عملکرد خارج از طراحی یا جداسازی جریان، مشکلات ارتعاشی ایجاد می‌کند، راندمان را کاهش می‌دهد و سایش مکانیکی در پمپ‌ها و فن‌ها را تسریع می‌کند.
ویژگی‌های جریان آشفته
گذار رژیم جریان
گذار جریان از حالت آرام به آشفته بر اساس عدد رینولدز:
- عدد رینولدز (Re): Re = (ρ × V × D) / µ
- که در آن ρ = چگالی، V = سرعت، D = بُعد مشخصه، µ = ویسکوزیته
- جریان آرام: دوباره < 2300 (نرم، مرتب)
- انتقالی: دوباره ۲۳۰۰-۴۰۰۰
- جریان آشفته: Re > 4000 (آشوبناک، نامنظم)
- ماشین آلات صنعتی: تقریباً همیشه در یک رژیم آشفته عمل می‌کند
ویژگی‌های آشفتگی
- نوسانات سرعت تصادفی: سرعت لحظه‌ای به طور آشوبناکی در اطراف میانگین تغییر می‌کند
- گرداب‌ها و ادی‌ها: سازه‌های چرخان در اندازه‌های مختلف
- آبشار انرژی: گرداب‌های بزرگ به تدریج به گرداب‌های کوچک‌تر تجزیه می‌شوند
- مخلوط کردن: اختلاط سریع تکانه، گرما و جرم
- اتلاف انرژی: اصطکاک آشفته، انرژی جنبشی را به گرما تبدیل می‌کند
منابع آشفتگی در ماشین آلات
اختلالات ورودی
- طراحی ضعیف ورودی هوا: پیچ‌های تند، موانع، طول ناکافی مسیر مستقیم
- چرخش: پیش چرخش پروانه/فن ورودی سیال
- سرعت غیر یکنواخت: پروفیل سرعت از حالت ایده‌آل منحرف شده است
- اثر: افزایش شدت تلاطم، افزایش ارتعاش، کاهش عملکرد
جداسازی جریان
- گرادیان‌های فشار نامطلوب: جریان از سطوح جدا می‌شود
- عملیات خارج از طراحی: زاویه‌های جریان اشتباه باعث جدایش روی پره‌ها می‌شوند
- غرفه: جداسازی گسترده در سمت مکش تیغه
- نتیجه: شدت تلاطم بسیار بالا، نیروهای آشوبناک
مناطق ویک
- جریان‌های آشفته در پایین‌دست پره‌ها، پایه‌ها یا موانع
- شدت تلاطم بالا در دنباله جریان
- اجزای پایین‌دستی نیروهای ناپایدار را تجربه می‌کنند
- برهمکنش تیغه و دنباله در ماشین‌های چند مرحله‌ای مهم است
مناطق با سرعت بالا
- شدت آشفتگی عموماً با سرعت افزایش می‌یابد
- نواحی نوک پروانه، نازل‌های تخلیه، نواحی با تلاطم بالا
- نیروهای زیاد موضعی و سایش ایجاد می‌کند
اثرات بر ماشین آلات
تولید ارتعاش
- ارتعاش پهن باند: آشفتگی، نیروهای تصادفی را در طیف وسیعی از فرکانس‌ها ایجاد می‌کند.
- طیف: کف نویز بالا به جای پیک‌های مجزا
- دامنه: با شدت تلاطم افزایش می‌یابد
- محدوده فرکانس: معمولاً 10 تا 500 هرتز برای ارتعاش ناشی از تلاطم
تولید نویز
- تلاطم منبع اصلی نویز آیرودینامیکی است
- صدای "ووش" یا "هجوم" در پهنای باند
- سطح نویز متناسب با سرعت^6 (بسیار حساس به سرعت)
- می‌تواند منبع نویز غالب در فن‌های سرعت بالا باشد
تلفات کارایی
- اصطکاک آشفته انرژی را از بین می‌برد
- افزایش فشار و تحویل جریان را کاهش می‌دهد
- تلفات تلاطم معمول: ۲-۱۰۱TP3T از توان ورودی
- با عملیات خارج از طراحی افزایش می‌یابد
Component Fatigue
- نیروهای نوسانی تصادفی، تنش چرخه‌ای ایجاد می‌کنند
- چرخه تنش با فرکانس بالا
- به تیغه و ساختار کمک می‌کند خستگی
- به خصوص در سرعت‌های بالا نگران‌کننده است
فرسایش و سایش
- تلاطم جریان، فرسایش را در شرایط سایش افزایش می‌دهد
- ذرات معلق در اثر برخورد با سطوح آشفته
- سایش تسریع‌شده در مناطق با تلاطم بالا
تشخیص و شناسایی
شاخص‌های طیف ارتعاش
- پهنای باند بالا: کف نویز بالا در سراسر طیف
- کمبود پیک‌های گسسته: برخلاف خطاهای مکانیکی با فرکانس‌های خاص
- وابسته به جریان: سطح پهنای باند با نرخ جریان تغییر می‌کند
- حداقل در BEP: کمترین تلاطم در نقطه طراحی
تحلیل آکوستیک
- اندازه‌گیری‌های تراز فشار صدا
- افزایش نویز پهنای باند نشان دهنده تلاطم است
- طیف صوتی مشابه طیف ارتعاش
- میکروفون‌های جهت‌دار می‌توانند منابع تلاطم را پیدا کنند
تجسم جریان
- دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در طول طراحی
- جریان‌های نوری یا تجسم دود در آزمایش
- اندازه‌گیری‌های فشار نشان‌دهنده نوسانات هستند
- سرعت‌سنجی تصویر ذرات (PIV) در تحقیقات
استراتژی‌های کاهش خطر
بهبود طراحی ورودی
- طول لوله مستقیم کافی در بالادست (حداقل ۵ تا ۱۰ قطر) فراهم کنید
- بلافاصله قبل از ورود، خمیدگی‌های تیز را از بین ببرید
- از صاف‌کننده‌های جریان یا پره‌های گردان استفاده کنید
- ورودی‌های ناقوسی یا ساده، تولید تلاطم را کاهش می‌دهند
بهینه‌سازی نقطه عملیاتی
- نزدیک به بهترین نقطه کارایی (BEP) کار کنید
- زاویه جریان با زاویه پره‌ها مطابقت دارد و جداسازی را به حداقل می‌رساند
- حداقل تولید تلاطم
- کنترل سرعت متغیر برای حفظ نقطه بهینه
اصلاحات طراحی
- انتقال نرم در مسیرهای جریان (بدون گوشه‌های تیز)
- پخش‌کننده‌ها برای کاهش تدریجی سرعت جریان
- سرکوبگرهای گرداب یا دستگاه‌های ضد چرخش
- پوشش آکوستیک برای جذب نویز ناشی از تلاطم هوا
آشفتگی در مقابل سایر پدیده‌های جریان
تلاطم در مقابل کاویتاسیون
- تلاطم: پهنای باند، پیوسته، وابسته به جریان
- کاویتاسیون: ضربه‌ای، فرکانس بالاتر، وابسته به NPSH
- هر دو: می‌توانند همزمان وجود داشته باشند، هر دو ارتعاش پهن باند ایجاد می‌کنند
تلاطم در مقابل گردش مجدد هوا
- تلاطم: تصادفی، پهن باند، در تمام جریان‌ها وجود دارد
- گردش مجدد هوا: ناپایداری سازمان‌یافته، ضربان‌های با فرکانس پایین، فقط در جریان کم
- رابطه: مناطق گردش مجدد بسیار آشفته هستند
آشفتگی جریان، ویژگی ذاتی جریان سیال با سرعت بالا در ماشین‌آلات دوار است. اگرچه اجتناب‌ناپذیر است، اما شدت و اثرات آن را می‌توان از طریق طراحی مناسب ورودی، عملکرد نزدیک به نقطه طراحی و بهینه‌سازی جریان به حداقل رساند. درک آشفتگی به عنوان منبع ارتعاش و نویز پهن‌باند، امکان تمایز از خطاهای مکانیکی با فرکانس گسسته را فراهم می‌کند و اقدامات اصلاحی مناسب را که بر شرایط جریان متمرکز هستند، به جای تعمیرات مکانیکی، هدایت می‌کند.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 