3-D NUMERICAL INVESTIGATION AND OPTIMIZATION OF CENTRIFUGAL SLURRY PUMP USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

Enerji dönüşüm uygulamaları, kullanılan türbomakinaların ve verimlerinden direk olarak etkilenmektedir. Enerjinin önemi ve türbomakinaların geniş uygulama alanı, türbomakinaların bileşenlerinin optimizasyonunu çok önemli kılar. Optimizasyon için, gerçek akış alanı ve türbomakina bileşenleri arasındaki etkileşim 3 boyutlu çalışmalar olarak ortaya konması gerekir. Birçok çalışma su pompalarının bileşenleri olan salyangoz ve çark optimizasyonuna odaklanmasına rağmen, santrifüj çamur pompaları için aynı sistematik metodoloji ve çalışma mevcut değildir. Bu çalışmanın amacı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) vasıtasıyla santrifüj çamur pompasının performansını iyileştirmektir. Bu nedenle, kapalı tip çarkın optimizasyonu için kanat çıkış açısı, ara kanatçık eklenmesi ve kanadın modifiye edilmesi göz önünde bulundurularak kapsamlı bir parametrik çalışma yürütülmüştür. İlave olarak, orijinal pompanın salyangoz dil bölgesi tekrar tasarlandı. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar göstermiştir ki doğru parametrelerin seçilmesiyle santrifüj çamur pompası çarkı ve salyangozunun performanslarının artırılması mümkündür. Sayısal olarak elde edilen analiz sonuçlarına göre, çamur pompasının hidrolik verimi geriye eğimli uzun kanatlı çark ve ilk duruma göre modifiye edilmiş salyangozun kullanılmasıyla % 9'a kadar artırılabilir. Çalışmanın son bölümü bir durum çalışması olarak temiz su ile karşılaştırıldığında farklı konsantrasyonlarda çamur karışımı iletilirrken çamur pompasının performansı üzerinde duruluyor. Akış şekli anlık basınç konturları ve hız akım çizgileri ile görselleştirilmiştir. Dahası her bir pompanın karekteristik performans eğrileri karşılaştırıldı ve tartışıldı. Ayrıklaştırılmış, üç boyutlu, sıkıştırılamaz Navier-Stokes denklemlerinin sayısal çözümleri yapılandırılmış ağ kullanılarak ticari yazılım Fluent ile gerçekleştirilmiştir.

HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ (HAD) KULLANILARAK ÜÇ BOYUTLU SANTRİFÜJ ÇAMUR POMPASININ SAYISAL OLARAK İNCELENMESİ VE OPTİMİZASYONU

Energy conversion applications are directly affected through the employment of turbomachines and their efficiencies. Energy importance and wide-spread application of turbomachines, make it crucial to optimize their components. In order to optimizastion, the actual flow field and the interaction between the components must be revealed as 3-D studies. Although many studies have focused on the component optimization, mainly volute and impeller in water pumps, there is no systematic elaboration of the same methodology for centrifugal slurry pumps. The purpose of this paper is to improve the performance of a centrifugal slurry pump by means of Computational Fluid Dynamics (CFD). Therefore, an extensive parametric study has been carried out in order to optimize the shroud type impeller taking into account the blade discharge angle ((backward long blades). Additionally, the tongue region of the original pump is re-designed. The results obtained in this study show that it is possible to improve the performance of the impeller and the volute of the centrifugal slurry pump by choosing correct parameters. From the analysis point of view, it is demonstrated numerically that the hydraulic efficiency of the centrifugal slurry pump can be increased up to 9% by using the backward long blades in addition to modified volute compared to the original ones. The last stage of the study focuses on the performance of slurry pump while handling slurry mixture at different concentrations in comparison with clear water as a case study. The flow pattern is visualized with the instantaneous pressure contours and the velocity streamlines. Furthermore, the characteristic performance curves of each pump are compared and discussed. The numerical solutions of the discredited three-dimensional, incompressible Navier-Stokes equations over the structured mesh are accomplished with commercial software Fluent®.

___

  • Bacharoudis E. C., Filios A. E., Mentzos M. D. and Margaris D. P., 2008, Parametric Study Of A Centrifugal Pump Impeller By Varying The Outlet Blade Angle, The Open Mechanical Engineering Journal, 2, 75-83.
  • Cui B., Zhu Z., Zhang J. and Chen Y., 2006, The flow simulation and experimental study of low-Specificspeed high-speed complex centrifugal impellers, Chinese journal Chemical Engineering, 14, 435-441.
  • Benra F. K., 2015, Practical Course Turbomachinery, Measurement Of The Characteristics Of A Centrifugal Pump, University Duisburg-Essen Faculty of Engineering Sciences Department of Mechanical Engineering, https://www.unidue.de/sm/Downloads/Praktika/Centrifu gal_Pump.pdf.
  • Burgess K. E. and Reizes A., 1976, The Effect Of Sizing, Specific Gravity And Concentration On The Performance Of Centrifugal Pumps, Proc. Inst. Mech. Eng, 190, 391-399.
  • Cader T., Masbernat O. and Roco M. C., 1994, TwoPhase Velocity Distribution And Overall Performance Of A Centrifugal Slurry Pump, Journal of Fluid Engineering (ASME), 116, 316-323.
  • Cave I., 1976, Effects Of Suspended Solids On The Performance Of Centrifugal Pumps, Proc. Hydro Transport-4,paper H3, BHRA Fluid Engineering.
  • Cengel Y.A. and Cimbala J. M., 2006, Fluid Mechanics Fundamentals and Applications, McGraw Hill, New York.
  • Das L. G., Rawat M. K. and Kuri N., 2011, Flow Analysis of a Centrifugal Slurry Pump While Handling Clean Water at Design and Off-Design Conditions, The 11 th Asian Int. Conference on Fluid Machinery and The 3rd Fluid Power Technology Exhibition, IIT Madras, Chennai, India.
  • Engin T., 2000, Eperimental Investigation of Centrifugal Pumps When Handling Solid-Liquid Mixtures, Ph.D. Thesis, Sakarya University, Sakarya, Turkey.
  • Engin T. and Gur M., 2001, Performance Characteristics Of A Centrifugal Pump Impeller With Running Tip Clearance Pumping Solid-Liquid Mixtures, Journal of Fluids Engineering, 123, 532-539.
  • Engin T., 2006, Study Of Tip Clearance Effects In Centrifugal Fans With Unshrouded Impellers Using Computational Fluid Dynamics, Proc. IMechE Part A: Journal of Power and Energy, 220, 599-610.
  • Fluent Inc., 2005, Fluent 6.2 User Guide, 2A.
  • Gahlot V. K., Seshadri V. and Malhotra R. C., 1992, Effect of Density , Size Distribution, and Concentration of Solids on the Characteristics of Centrifugal Pumps, ASME J. Fluids Eng,114, 386-389.
  • Gandi B. K., Sing S. N. and Seshadri V., 2001, Performance Characteristics of Centrifugal Slurry Pumps, Journal of Fluids Engineering 123, 271-280.
  • Gonzalez J., Fernandez J., Blanco E. and Santolaria C., 2002, Numerical Simulation Of The Dynamic Effects Due to Impeller Volute Interaction In a Centrifugal Pump, ASME Journal of Fluids Engineering, 124, 348- 355.
  • Jafarzadeh B., Hajari A., Alishahi M. M. and Akbari M. H., 2011, The Flow Simulations of a Low SpecificSpeed High-Speed Centrifugal Pump, Applied Mathematical Modelling, 35, 242-249.
  • Kazim K. A., Maiti B. and Chand P., 1997, A Correlation To Predict The Performance Characteristics of Centrifugal Pumps Handling Slurries, Journal of Power and Energy-Part A, 211, 147-157.
  • Kergourlay G., Younsi M., Bakir F., Rey R., 2007., Influence Of Splitter Blades On The Flow Field Of A Centrifugal Pump: Test-Analysis Comparison, International Journal of Rotating Machinery, 2007, doi:10.1155/007/85024.
  • Kyparissis S. D., Douvi E. C., Panagiotopoulos E. E., Margaris D. P. and Filios A. E., 2009, Cfd Flowfield Analysis And Hydrodynamic Double-Arc Blade Design Effects For Optimum Centrifugal Pump Performance, International Review of Mechanical Engineering (I.RE.M.E.), 3, 284-292.
  • Li W. G., 2011, Inverse Design Of Impeller Blade Of Centrifugal Pump With A Singularity Method, Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering 5, 119-128.
  • Li W. G., 2012, Effects Of Blade Exit Angle And Liquid Viscosity On Unsteady Flow In Centrifugal Pumps, Proc. IMechE, Part A: Journal of Power and Energy, 226, 580-599.
  • Madhwesh N., Karanth K.V., Sharma N.Y. and Member, IAENG., 2011, Impeller Treatment Of For A Centrifugal Fan Using Splitter Vanes-A Cfd Approach, Proceeding of the World Congress on Engineering, 3, London, U.K.
  • Özmen Y. and Baydar E., 2013, A Numerical Investigation On Confined Impinging Array Of Air Jets, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 33, 65-74
  • Pfleiderer C., 1961, Die Kreiselpumpen Fur Flussigketten Und Gase, Springer, Verlag, Berlin.
  • Rababa K. S., 2011, The Effects Of Blades Number And Shape On The Operating Characteristic Of Groundwater Centrifugal Pumps, European Journal of Scientific Research, 52, 243-251.
  • Rajendran S. and Purushothaman K., 2012, Analysis Of A Centrifugal Pump Impeller Using Ansys-CFX, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), 1, 1-6.
  • Safikhani H., 2011, Khalkhali A. and Farajpoor M., Pareto Based Multi-Objective Optimization Of Centrifugal Pumps Using Cfd, Neural Networks And Genetic Algoritms, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 5, 37-48.
  • Sellgren A., 1979, Performance Of Centrifugal Pumps When Pumping Ores And Industrial Minerals, Proc. Hydro Transport-6, paper G1, BHRA Fluid Engineering, 291-304.
  • Sheng Y. S., Yu K. F., Hui F. J. and Ling X., 2012, Numerical Research On Effects Of Splitter Blades To The Influence Of Pump As Turbine, International Journal of Rotating Machinery, 2012, 1-9. doi:10.1155/2012/123093.
  • Baocheng S. and Wei J., 2014, Numerical Simulation of 3D Solid-Liquid Turbulent Flow in a Low Specific Speed Centrifugal Pump: Flow Field Analysis, Hindawi Publishing Corporation Advances in Mechanical Engineering, 2014, 1-8.
  • Singh J. P., Kumar S. and Mohapatra S. K, 2011., Computional Investigation of Slurry Pump Handling Bottom Ash, International Journal of Fluids Engineering, 3, 241-249.
  • Singh R. R. and Nataraj M., 2012, Parametric Study And Optimization Of Centrifugal Pump Impeller By Varying The Design Parameter Using Computational Fluid Dynamics: Part I, Journal of Mechanical and Production Engineering (JMPE), 2, 87-97.
  • Sun J. and Tsukamoto H., 2001, Off-design Performance Predictions For Diffuser Pumps, Journal of Power and Energy Proceedings of I. Mech. E, Part A; 215, 191-201.
  • Tekkalmaz, M., 2015, Numerical Analysis of Combined Natural Convection and Radiation In A Square Enclosure Partially Heated Vertical Wall, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 35, 99-106.
  • Tufekcioglu Kaucuk Ltd, 2013. Versteeg H. K. and Malalasekera W., 1998, An introduction to computational fluid dynamics, Longman Group Ltd, England.
  • Vocadlo J. J., Koo J.K. and Prang A. J., 1974, Performance of Centrifugal Pumps in Slurry Services, Proc. Hydro Transport-3, Paper J2, BHRA Fluid Engineering.
  • Zhou W., Zhao Z., Lee T. S. and Winoto S. H., 2003, Investigation Of Flow Through Centrifugal Pump Impellers Using Computational Fluid Dynamics, International Journal of Rotating Machinery, 9, 49-61.
  • Warman International Ltd., 2000, Warman Slurry Pumping Handbook, Australasian Version: Feb.
Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi-Cover
  • ISSN: 1300-3615
  • Yayın Aralığı: Yılda 2 Sayı
  • Başlangıç: 1977
  • Yayıncı: TÜRK ISI BİLİMİ VE TEKNİĞİ DERNEĞİ
Sayıdaki Diğer Makaleler

THERMO ECONOMICAL OPTIMIZATION OF PLATE TYPE OF HEAT EXCHANGERS FOR WASTE HEAT RECOVERY

M YILDIRIM, M S SÖYLEMEZ

Adsorpsiyonlu Silika Jel/Su Soğutma Sisteminin Performans Analizi ve Adsorban Yatağının Dinamik Isı ve Kütle Transferi Davranışı: Parametrik Çalışma

Billel MEBARKİ, İsmail SOLMUŞ, Rabah GOMRİ

Farklı Soğutucu Akışkanlar için Toprak Kaynaklı Isı Pompasının Termodinamik ve Termoekonomik Analizi

Ahmet KABUL, Recai ALKAN

Bir Çekici Römork Aracında Sürükleme Kuvvetinin Pasif Akış Kontrol Yöntemleri ile İyileştirilmesi

Yahya Erkan AKANSU, Cihan BAYINDIRLI, Mehmet SEYHAN

HCFC-22 YERİNE KULLANILAN BAZI HFC'LERİN ÇEVRESEL ETKİLERİNİN DENEYSEL OLARAK KARŞILAŞTIRILMASI

Vedat ORUÇ, Atilla G DEVECİOĞLU

Farklı Kanat Isı İletim Katsayıları ve Geometrik Parametreler için Kanatlı Borulu Isı Değiştiricilerin Üç Boyutlu Bütünleşik Sayısal Analizi

Mustafa MUTLU, Muhsin KILIÇ

A STUDY ON AIR-COOLED CHILLERS WITH EVAPORATIVELY COOLED CONDENSER FOR 3 TYPES OF CLIMATE

İbrahim ATMACA, Sezgi KOÇAK SOYLU

3-D NUMERICAL INVESTIGATION AND OPTIMIZATION OF CENTRIFUGAL SLURRY PUMP USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

Mehmet Salih CELLEK, Tahsin ENGIN

Erzincan İlindeki Binalarda Isı Yalıtımının Enerji Tasarrufuna Etkisinin Ekonomik Analizi

Mehmet KAYA, İlker FIRAT, Ömer ÇOMAKLI

Kanola Metil Esterine N-Heptan Katkısının Motor Performansı ve Yanma Karakteristiklerine Etkilerinin İncelenmesi

Mehmet ÇELİK, Hamit SOLMAZ, H. Serdar YÜCESU, Emre YILMAZ