Riassunto analitico
L’oggetto di studio della mia tesi è il sistema di circuitazione dell’olio di un’elettropompa sommergibile per il sollevamento di acque progettato per il pompaggio da scarichi civili ed industriali, in stazioni di sollevamento fognario e negli impianti di depurazione. Il problema riscontrato riguarda la temperatura dell’olio che, dopo un certo tempo di funzionamento della macchina, diventa troppo alta non permettendo più il raffreddamento del motore. Il problema viene affrontato su due fronti ossia miscelamento di olio-aria nella scatola olio in tre diverse configurazioni geometriche e adescamento dell’olio mediante un sistema di pompaggio roto-viscoso interno alla pompa. In una prima fase si considera il volume fluido contenuto nella scatola olio. Si studia il campo di moto indotto dalla rotazione della campana filettata e dalle superfici dell’albero-pompa a diretto contatto con il fluido nell’ipotesi di avere solo olio nella scatola quindi con simulazioni Steady Single Phase in condizioni isoterme. Per questo tipo di simulazioni si ipotizza un volume chiuso privo di ingressi e uscite di massa. Per aumentare lo scambio termico nella parte inferiore della scatola è stato inserito anche un riempitivo in due diverse configurazioni con il fine di incrementare la turbolenza. Questa primo approccio al problema dimostra come effettivamente la parte inferiore del fluido sia poco movimentata con velocità prossime allo zero in tutte le configurazioni analizzate non favorendo lo scambio termico necessario. Dopo questi primi risultati si indaga il comportamento fluidodinamico in volume chiuso non più con simulazioni Steady Single Phase ma con simulazioni Transient bifasiche. Per fare questo viene utilizzato il modello VOF con l’opzione aggiuntiva AMR. Data la complessità e il numero molto elevato di parametri in gioco, prima di utilizzare questo approccio con le geometrie reali, si effettua uno studio su un modello semplificato analizzando come ogni singolo parametro influenzi le grandezze tipiche di una simulazione VOF. Nel particolare le macroaree studiate sono: • Adaptive Time Step • AMR o Adaptive Mesh Refinement • Maximum Inner Iteration • Sharpening Factor Le grandezze monitorate sono invece: • Element False Foam • Element Region • Volume Integral Phase 1 e 2 • Surface Average CFL Isosurface • Volume Average CFL Volume • Max CFL Isosurface • Max CFL Volume • Time Step • Grandezze tempistiche di calcolo Vengono poi effettuate delle simulazioni definite a “parametri misti” che ci permettono di individuare un campo di parametri tale per cui la soluzione sia accettabile da un punto di vista qualitativo/quantitativo e anche da un punto di vista di costo computazionale. Tale setup farà da guida per le simulazioni VOF in volume chiuso bifasiche. Si torna quindi al volume chiuso, ma questa volta non si indaga soltanto il campo di moto che si ha nella scatola ma anche il mescolamento aria-olio mediante simulazioni VOF. Viene monitorato un indice di scambio termico in modo da individuare quale tra le tre configurazioni sia la migliore per raffreddare l’olio e si osserva che la configurazione con riempitivo permette un maggiore scambio termico nella parte inferiore grazie alle velocità più elevate. Il secondo aspetto che viene indagato riguarda il calcolo della portata di olio aspirata dalla campana rotante e l’irrorazione delle pareti superiori della struttura. Il problema in esame viene completamente svincolato dal miscelamento di aria e olio nella scatola infatti si ipotizza che la campana adeschi fluido da un volume cilindrico semplificato nel quale è presente solo olio. La movimentazione delle superfici, necessaria a generare l’aspirazione del fluido, viene realizzata in due modi: MRF e RBM. Vengono così misurati la portata di olio aspirata e un indice dello scambio termico dovuto all’impatto dell’olio sulle superfici circostanti.
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Abstract
The object of study of this thesis is the oil circulation system of a submersible electric pump for the lifting of water developed for civil and industrial wastewater, sewer lifting station and treatment plants.
The problem encountered concerns the oil temperature which becomes overly high after a certain operating time of the machine, no longer allowing the engine to cool down. The issue is faced from two points of view, namely the mixing of oil and air in the oil box in three different geometric configurations and the pumping of the oil by a roto-viscous pumping system inside the pump.
Firstly, the fluid volume contained in the oil box is considered. The field of motion which is induced by the rotation of the threaded bell and by the surfaces of the shaft-pump in direct contact with the fluid, is studied on the assumption of having only oil in the box, therefore with a steady single phase simulation in isothermal conditions. For this type of simulations, a closed volume without mass flow inlet and outlet is taken into consideration. To increase the heat exchange in the lower part of the box two type of filler, properly designed with the aim of increasing turbulence, were inserted. This first case of study demonstrates how the lower part of the fluid is not powered with speeds in all the configurations, which does not help the heat exchange.
After these first results, the fluid dynamic behaviour in closed volume is further investigated, no longer with steady single phase simulations but with biphasic transient simulations.
To do this the VOF model is used together with AMR. Given the complexity and the high number of parameters involved, before using this approach with the real geometry, a study is carried out on a simplified model by analysing how each single parameter affects the typical quantities of a VOF simulation. In particular, the macro areas investigated are:
● Adaptive Time Step: Convective CFL Condition and Free Surface CFL Condition
● AMR or Adaptive Mesh Refinement: Transition Width, Max Refinement Level, Update Frequency
● Maximum Inner Iteration
● Sharpening Factor
The quantities monitored are:
● Element False Foam
● Element Region
● Volume Integral Phase 1 and 2
● Surface Average CFL Isosurface
● Volume Average CFL Volume
● Max CFL Isosurface
● Max CFL Volume
● Time Step
● Calculation timing quantities
Simulations defined with “mixed parameters” are carried out. These simulations allow to identify a field of parameters so that the solution is acceptable from a qualitative and quantitative point of view, and for the computational cost. This setup will be taken as a reference for VOF biphasic simulation in the real geometry.
Going back to the close volume, the mixing of air and oil in the three previous configurations is investigated using VOF model. The trend of a heat exchange index is also monitored, in order to identify which of the three configurations is more suitable to cool the oil down and it is noted that the configuration with the filler allows a greater heat exchange in the lower part thanks to higher speeds.
Secondly, the calculation of the oil flow rate that is pumped by the rotating bell and the spraying of the upper walls of the structure is investigated. The problem taken into consideration is completely independent from the mixing of air and oil in the box, in fact it is assumed that the bell is pumping fluid from a simplified cylindrical volume in which only oil is present. The rotation of the surfaces is carried out in two ways: MRF and RBM. The pumped oil flow rate and an heat exchange index, which is due to the impact of the oil on the surrounding surfaces, are calculated.
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