جریان درون توربوماشین‌ها سه‌بعدی، تراکم‌پذیر، لزج و ناپایدار است. پدیده‌های مهمی که بر جریان عبوری از پره‌های توربوماشین تاثیر می‌گذارند عبارتند از:

•     ایجاد جریان سه‌بعدی به علت وجود هاب، کیسینگ و دیواره‌های پره
•     افت فشار جریان در اثر اصطکاک، اختلاط جریان و تاثیر متقابل شک و لایه مرزی
•     تراکم‌پذیری جریان همراه با شرایط مافوق صوت در ورودی کمپرسور و خروجی توربین
•     ناپایداری جریان که از طبقات اول ایجاد می‌شود و در توربوماشین پیش می‌رود.

این موارد تاثیر اساسی در جریان درون کمپرسور دارند. جریان درون توربوماشین‌ها ویژگی‌های خاصی دارد که در دیگر موارد دیده نشده است. یکی از این ویژگی‌ها وجود مجراهای در حال چرخش و ثابت پشت سر هم است. تاثیر بخش‌های درحال چرخش و شرایط ناپایدار ناشی از گردابه‌های پشت پره‌ها بروی جریان باید درنظر گرفته شود. ویژگی دیگر جریان توربوماشین‌ها انتقال انرژی به جریان از طریق کار پره‌های کمپرسور است. 

مدلسازی جریان توربوماشین‌ها

برای آشنایی با جریان درون توربوماشین‌ها می‌توان از مدل‌های ساده‌ شروع کرد و کم‌کم مدل‌ها را پیچیده‌تر کرد. این مدل‌ها از یک کانال ساده شروع می‌شود و کسکید (Cascade) ردیفی ساده را دربر می‌گیرد و به مدل‌های پیچیده‌تر کسکیدهای دایروی ثابت و چرخان می‌رسد. 

الف: کانال

از مدل کانال برای مطالعه اولیه لایه مرزی در سرعت‌های پایین استفاده می‌شود. در این مطالعات اثر زبری و انحنای سطح، عدد رینولدز، توربولانس، گرادیان سرعت و اثرات جریان خنک‌کاری بر لایه مرزی بررسی می‌شود.

ب: کسکیدهای خطی

در کسکیدهای خطی تعدادی پره در کنار هم قرار می‌گیرند که امکان مطالعه جریان پریودیک را فراهم می‌کنند. در این مطالعات می‌توان بهینه‌سازی پره، اثرات متقابل شوک و لایه مرزی، تاثیر جریان خنک‌کاری، جریان در لبه فرار و اختلاط گردابه‌ها را بررسی کرد. کسکیدهای خطی چند ویژگی جالب توجه دارند:

•     وجود هندسه ساده قسمت‌های کسکید
•     امکان اعمال تغییرات در هندسه پره و زاویه نصب آن به سادگی
•     امکان استفاده از پره‌هایی با مقطع بزرگ
•     امکان استفاده از ابزارهای اندازه‌گیری نوری به آسانی
•     تغییر مستقل پارامترهای مختلف جریان
•     امکان بررسی جریان شبهه سه‌بعدی
•     امکان بررسی ارتعاشات پره و گردابه‌های پشت پره به آسانی

دشواری ایجاد شرایط کاملاً پریودیک و دو بعدی جریان در کسکید سبب شده است که در در طول سال‌ها اعتبار تست‌های کسکید مورد بحث باشد. برای ایجاد شرایط پریودیک باید از تعداد بینهایت پره استفاده کرد. معمولاً در تست‌های کسکید از 5 تا 15پره استفاده می‌شود. این مطلب باعث ایجاد لایه مرزی در مقطع آزمایش می‌شود که باید تلاش مضاعفی برای حذف جریان‌های غیر پریودیک در مقطع آزمایش شود. با رسیدن جریان ورودی به محدوده‌ی گذرصوتی، حساسیت لایه مرزی به جریان ورودی بیشتر شده و ایجاد شرایط پریودیک سخت‌تر می‌گردد و با افزایش بیشتر ماخ جریان رسیدن به شرایط پریودیک راحت‌تر می‌شود.

با حرکت جریان در درون کانال کسکید، لایه مرزی رشد می‌کند و عملاً جریان در مقطع آزمایش سه بعدی می‌شود. به طور کلی این مطب در کسکیدهایی که سرعت جریان را کاهش می‌دهند بیشتر تاثیرگذار است. ترکیبی از جریان با لایه مرزی بسیار کم در ورودی، پره‌هایی با نسبت منظری زیاد و جریان‌های شتاب دار برای ایجاد شرایط آزمایش دوبعدی مناسب است.

به علت دشواری‌های ایجاد جریان کاملاً دوبعدی و همچنین وجود همگرایی و واگرایی در برخی قسمت‌های کانال، کسکیدها بیشتر به عنوان ابزاری برای بررسی جریان شبهه سه‌بعدی برای بررسی افت فشار و یا اعتبارسنجی کدهای عددی استفاده می‌شوند.

در طول سال‌های گذشته از کسکیدهای خطی برای مطالعه خصوصیات جریان‌های ثانویه در کمپرسور و توربین همراه با در نظر گرفتن اثر دیواره و ضخامت پره‌ها استفاده شده است. همچنین جریان‌های بین نوک پره و دیواره نیز در کسکیدهای خطی بررسی شده‌اند و حرکت نسبی بین پره و دیواره برای درک نقش اثرات لزجت جریان بر رفتار جریان در این قسمت مطالعه شده است. نتایج تجربی حاصل از مطالعه جریان نوک پره و جریان‌های ثانویه در کسکیدهای خطی برای اعتبارسنجی کدهای عددی بسیار ارزشمند هستند. اما از آنجایی که در جریان درون توربوماشین‌ها گرادیان شعاعی فشار استاتیک نقش اساسی در افت فشار و زاویه خروجی جریان در راستای پره بازی می‌کند، از این نتایج نمی‌توان مستقیماً برای محاسبه مشخصات جریان در توربوماشین‌ها استفاده کرد. لزوم دستیابی به اطلاعات بسیار دقیق از توزیع خصوصیات جریان و اندازه‌گیری شدت آشفتگی جریان سبب شده است که محققان از 3 تا 5 پره با ارتفاعی تا 300 میلی‌متر در کسکیدهای خطی استفاده کنند. در این شرایط رسیدن به جریان پریودیک در اطراف پره‌ها بسیار مشکل است. یکی از راه‌های حل این مشکل اندازه‌گیری توزیع سرعت پشت پره برای مقایسه با نتایج تئوری است.

برای سفارش انواع تونل‌های باد ویژه‌ی تست کسکید با ما تماس بگیرید.

ج: کسکیدهای حلقوی

در کسکید حلقوی همانطور که از نام آن مشخص است، تعدادی پره بین دو استوانه هم مرکز با مقیاس مناسب قرار می‌گیرند. شبیه‌سازی جریان در کسکید‌های حلقوی نسبت به نوع خطی به شرایط واقعی نزدیک‌تر است. اگرچه دیواره کسکیدهای حلقوی اغلب استوانه‌ای است، اما از نوع بیضوی نیز استفاده زیادی می‌شود. پره‌های آزمایشی در کسکیدهای حلقوی معمولاٌ در اندازه و شکل نوع واقعی پره‌های استفاده شده در توربوماشین‌ها هستند. در کسکیدهای حلقوی سرعت پایین بیشتر از پره‌هایی در مقیاس بزرگتر نمونه واقعی استفاده می‌شود تا جریان سه بعدی اطراف پره و عدد رینولدز جریان دقیق‌تر شبیه‌سازی شود.

برتری اصلی کسکیدهای حلقوی در مقایسه با نوع خطی وجود امکان شبیه‌سازی گرادیان فشار استاتیک است. همچنین جریان در کسکیدهای حلقوی کاملاً پریودیک است و امواج شوک و انبساطی می‌تواند به سمت بالادست و پایین دست مسیر بدون هیچ‌گونه بازتابی منتشر شوند. البته کسکیدهای حلقوی چند محدودیت نیز دارند.

•  دسترسی به ابزارهای اندازه‌گیری کمتر است.
•  مشکلات اندازه‌گیری لیزری بیشتری دارند.
•  تغییر زاویه جریان ورودی به پره مشکل است.
•  هزینه کاربری بیشتری دارند.

در نمونه‌های سرعت بالا به علت نیاز به توان و دبی جرمی زیاد کسکیدهای حلقوی در مقیاس کوچک‌تر ساخته می‌شوند که باعث می‌شود ابزارهای اندازه‌گیری تاثیر بیشتری در جریان داشته باشند و خطای اندازه‌گیری بیشتر شود.

کسکید حلقوی نکات جالب توجه‌ای از قبیل موارد زیر دارد:

• شبیه‌سازی اثر متقابل پره و گردابه‌های جریان به آسانی قابل بررسی است.
• می‌توان پدیده Forced response gust aerodynamics در کسکید حلقوی بررسی کرد.
• می‌توان پدیده فلاتر را به خوبی شبیه‌سازی و بررسی کرد. زیرا پدیده nonuniform airfoil phasing که در تست‌های بدون فلاتر کسکیدهای خطی رخ می‌دهد، در کسکیدهای حلقوی وجود ندارد.

د: کسکیدهای چرخان

طراحی اولیه کسکیدهای چرخان برای بررسی جریان دو بعدی روی پره بود. در ابتدا سعی می‌شد با انتخاب پره‌هایی با ارتفاع زیاد اثر سه بعدی بودن جریان حذف شود. کسکید چرخان در مقایسه با کسکید ثابت دو برتری اصلی دارد که عبارتند از:

•     با تغییر سرعت چرخشی می‌توان به راحتی زاویه ورود جریان به پره را تغییر داد.
•     برای کسکیدهای پره توربین با جریان مافوق صوت نسبی در خروجی پره، جریان در خروجی کسکید مادون صوت است.

در حال حاضر مهمترین مزیت کسکیدهای چرخان امکان شبیه‌سازی تاثیر نیروهای کوریولیس و گریز از مرکز بر روی جریان پره است. همچنین مطالعه جریان در نوک پره نیز یکی از موضوعات مهم تحت بررسی در این قسمت است. پدیده فلاتر را هم می‌توان در شرایط واقعی در کسکید چرخان بررسی کرد.

سایر مطالب مرتبط با تونل باد:

تونل باد صنعتی

تونل‌ باد آزمایشگاهی

تونل‌های باد