مدلسازی عددی پمپ‌های دیافراگمی تزریق با در نظر گرفتن برهمکنش سیال و سازه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه اراک، اراک، ایران

چکیده

در این مقاله عملکرد یک نمونه از پمپ‌های دیافراگمی تزریق که در سیستم‌های بودارکننده تزریقی ایستگاه‌های تقلیل فشار گاز استفاده می‌شود، با در نظر گرفتن تاثیرات برهمکنش سیال و سازه، شبیه‌سازی شده است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی با نتایج آزمایشگاهی اعتبارسنجی شده و حداکثر خطای محاسبه دبی پمپ، 16 درصد به‌دست آمده است. شبیه‌سازی عملکرد پمپ دیافراگمی مورد مطالعه در نوسان دیافراگم با دوره تناوب یک ثانیه و سه دامنه حرکت 0/8 و 0/5 و 0/2 میلی‌متر، نشان می‌دهد که با افزایش دامنه نوسان دیافراگم، سرعت سیال و دبی سیال خروجی از پمپ افزایش می‌یابد. به‌طوریکه میزان دبی متوسط خروجی پمپ در دامنه‌های مذکور به ترتیب برابر با 0/002، 0/0013 و 0/0005 کیلوگرم بر ثانیه است. البته با افزایش دامنه نوسان دیافراگم از 0/2 به 0/8 میلی‌متر، مقدار تنش حداکثر اعمالی به دیافراگم نیز از 32/2 به 92/2 مگاپاسکال افزایش می‌یابد (معادل 208 درصد). همچنین تأثیر فرکانس نوسان دیافراگم بر عملکرد پمپ بررسی شده و نتایج نشان می‌دهد که دبی پمپ نسبت مستقیم و خطی با فرکانس نوسان دیافراگم دارد، در صورتیکه تنش اعمالی بر دیافراگم وابسته به فرکانس نیست و در نسبت‌های یکسانی از دوره تناوب، تنش تقریباً ثابت است. بر اساس نتایج به‌دست آمده اگر به جای آنکه پمپ در دامنه حرکت دیافراگم 0/8 میلی‌متر و فرکانس 1 هرتز کارکند، دامنه حرکت دیافراگم بر روی 0/5 میلی‌متر و فرکانس 1/6 هرتز تنظیم شود، مقدار دبی پمپ دقیقاً یکسان خواهد بود، در حالیکه مقدار تنش حداکثر در دیافراگم حدود 30 درصد کاهش یافته و احتمال آسیب آن کمتر می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Modeling of Diaphragm Dosing Pumps with Fluid-Structure Interaction Analysis

نویسندگان [English]

  • Rafat Mohammadi
  • Arefe Rabiee Kerahrudib
  • amiir ahmadi
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran
چکیده [English]

In this paper, the performance of a diaphragm dosing pump of the injection odorizers is simulated with the fluid-structure interaction analysis. The simulation results are validated with experimental data and the largest relative error is 16% for the average flow rate. Performance simulation of the diaphragm pump for the diaphragm oscillation period of 1 second and three different diaphragm displacement amplitudes of 0.8, 0.5, and 0.2 mm, shows that as the amplitude increases, the fluid velocity and consequently the flow rate of the pump increases. The average flow rate of the pump in the mentioned amplitudes is equal to 0.002, 0.0013, and 0.0005 kg/s, respectively. As the amplitude increases from 0.2 to 0.8 mm, the maximum stress applied to the diaphragm increases from 32.2 to 99.2 MPa (equivalent to 208%). Also, the effect of diaphragm oscillation frequency on pump performance is investigated. The results show that the pump's flow rate directly and linearly relates to the diaphragm oscillation frequency. In contrast, the applied stress on the diaphragm is not frequency-dependent and in the same ratios of the period, the applied stress is almost constant. According to the results, if the pump amplitude is set to 0.5 mm and the frequency is 1.6 Hz, instead of operating at a diaphragm amplitude of 0.8 mm and a frequency of 1 Hz, the pump's flow rate will be the same. While the maximum amount of stress in the diaphragm will be reduced by about 30% and the probability of damage will be reduced.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Diaphragm pumps
  • Numerical modeling
  • Fluid-structure interaction
  • Dosing pumps
[1] Odorizer, Injection Type, IGS-M-PM-101(0), in, 1996.
[2] Odorizer, Bypass Type, IGS-PM-100(0), in, 1996.
[3] I.J. Karassik, J.P. Messina, P. Cooper, C.C. Heald, Pump handbook, McGraw-Hill New York, 2001.
[4] I. Chalghoum, S. Elaoud, M. Akrout, E.H. Taieb, Transient behavior of a centrifugal pump during starting period, Applied Acoustics, 109 (2016) 82-89.
[5] H. Ding, Z. Li, X. Gong, M. Li, The influence of blade outlet angle on the performance of centrifugal pump with high specific speed, Vacuum, 159 (2019) 239-246.
[6] G.R.A. Elyamin, M.A. Bassily, K.Y. Khalil, M.S. Gomaa, Effect of impeller blades number on the performance of a centrifugal pump, Alexandria Engineering Journal, 58(1) (2019) 39-48.
[7] C.-g. LI, Z.-x. JIAO, Thermal-hydraulic modeling and simulation of piston pump, Chinese journal of aeronautics, 19(4) (2006) 354-358.
[8] A.M. Blanco, J.F. Oro, Unsteady numerical simulation of an air-operated piston pump for lubricating greases using dynamic meshes, Computers & Fluids, 57 (2012) 138-150.
[9] S. Kumar, J.M. Bergada, The effect of piston grooves performance in an axial piston pumps via CFD analysis, International Journal of Mechanical Sciences, 66 (2013) 168-179.
[10] A. Iannetti, M.T. Stickland, W.M. Dempster, A computational fluid dynamics model to evaluate the inlet stroke performance of a positive displacement reciprocating plunger pump, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 228(5) (2014) 574-584.
[11] J.K. Lee, J.K. Jung, J.-B. Chai, J.W. Lee, Mathematical modeling of reciprocating pump, Journal of mechanical science and technology, 29(8) (2015) 3141-3151.
[12] J.Z. Li, M. Raney, X. Zheng, Flow simulation of a direct-injection gasoline diaphragm fuel pump with structural interactions, SAE 2000 World Congress, (2000) 2000-01-1047.
[13] V. Jairazbhoy, R.C. Stevenson, Mathematical modeling of molten metal dispensing: A study of a pneumatically actuated diaphragm-driven pump, Applied mathematical modelling, 32(2) (2008) 141-169.
[14] R.C.v. Rijswick. R.v, Fluid structure interaction in piston diaphragm pumps, Delft University of Technology, 2013.
[15] H. Bakhshayesh, A. Sarreshtehdari, H. Fekri, Fluid structure interaction modeling of a mercaptan injection diaphragm pump, Sharif Journal of Mechanical Engineering, 2018 (In Persian).
[16] M.B. Alberto, F.O.J. Manuel, M.-F. Andrés, Numerical methodology for the CFD simulation of diaphragm volumetric pumps, International Journal of Mechanical Sciences, 150 (2019) 322-336.
[17] X. Pan, S. Yang, Y. Shi, Y. Liu, Investigation on the dynamic characteristics of port valves in a diaphragm pump for exhaust gas treatment system by FSI modeling, IEEE Access, 7 (2019) 57238-57250.
[18] H.S. Kemp, D-M Process Study, Technical Information Service, 1953.
[19] I. G.currie, Fudamental Mechanics of Fluids, CRC Press, 2016.