شبیه سازی و آموزش جریان دوفازی یک چرخ آبی متحرک در نرم افزار فلوئنت

نقد و بررسی : شبیه سازی و آموزش جریان دوفازی یک چرخ آبی متحرک در نرم افزار فلوئنت

مقدمه

کلیه تجهیزاتی که در اثر عمل دینامیکی یک جز دوار به طور پیوسته از یک سیال انرژی گرفته یا بدان انرژی داده می شود ، توربوماشین نامیده میشود.

کلمه توربو از ریشه لاتین گرفته شده و دلالت بر چرخیدن دارد . ردیف پره های چرخان یا چرخ روتور، آنتالپی  ( مقدار گرمای سیستم در فشار ثابت ) سیال عبوری از خود را با انجام کار مثبت یا منفی تغییر می دهد.

دسته ای از توربوماشین ها توربین نامیده می شوند. و در انواع گازی،بخاری و آبی دسته بندی می شوند.

اجزا اصلی یک توربین عبارتند از :

  • جز دوار که خود شامل 3 قسمت محور، دیسک و پره های متحرک می باشد.
  • جز ثابت که در برگیرنده بدنه یا پوسته و پره ها ثابت است. پره های ثبات بر روی پوسته ی استاتور قرار گرفته و جهت جریان سیال را به منظور تبادل انرژی کامل به هنگام ورود به جز دوار تنظیم می کند .

انرژی مکانیکی تولید شده در محور دوار، از طریق یک اتصال به محور ژنراتور منتقل می شود .

در اثر انرژی مکانیکی به محور ژنراتور ، جریان الکتریسیته با فرکانسی برابر فرکانس چرخش توربین ، تولید شده و از طریق کابل های فشار قوی انتقال میابد .

  • طبقه بندی توربین های آبی:

انواع مختلف توربین به ترتیب زیر می باشد :

الف – توربین محوری :  آب موازی محور توربین وارد شده و در همان جهت خارج می شود.

ب – توربین عرضی :  آب عمود بر محور توربین وارد شده و عمود بر آن نیز خارج می شود.

ج – توربین گریز از مرکر :  عبارت است از توربین عرضی ای که آب در داخل آن به تدریج از محور دور می شود

د – توربین جانب مرکز :  عبارت است از توربین عرضی ای که آب در داخل آن به مرکز نزدیک می شود.

ه – توربین مختلط :  آب عمود بر محور وارد شده و تقریبا موازی آن از توربین خارج می شود.

 

چرخ آبی

چرخ آبی یک نمونه از توربین های پلتون است. اغلب چرخ‌های آبی به صورت عمودی بر روی یک محور افقی  قرار می‌گیرند، همچنین می‌توانند به صورت افقی روی یک شفت عمودی نیز نصب شوند. در این چرخ ها به دلیل کاهش نیروی اصطحکاکی و افزایش تراست نازل به صورت عمود به قسمت های خاصی از توربین به صورت عمود نیرو وارد میکند و بخش دیگر توربین بیرون از آب قرار دارد، به همین دلیل این چرخ ها در دو فاز مختلف آب و هوا حول محور خود در حال چرخش هستند[1]

 

نمونه یک چرخ آبی

 

شبیه سازی جریان دوفازی

جريان هايي است که با يک يا چند فصل مشترک از يکديگر جدا مي شوند. نمونه هايي از چنين جريان ها در سيستم هاي صنعتي و يا در پديده هاي طبيعي از جمله مخلوط هاي دو فاز مايع-گاز، مايع-جامد و يا گاز- جامد قابل مشاهده است.  درک فرآيند هاي جريان و انتقال حرارت سيستم هاي دو فاز در صنايع مختلف از جمله نفت و گاز، تهويه مطبوع، بويلر هاي نيروگاهي، توربين هاي بخار، مبدل هاي حرارتي و مواد متخلخل کاربرد دارند.  در جریان هاي دو فاز مايع-گاز ارايه مدل رياضي براي محاسبه افت فشار و کسر حجمي هر يک از فاز ها تحت الگوهاي مختلف جريان حائز اهميت است. الگوهاي جريان که خود نحوه شکل گيري فاز ها در کنار يکديگر را نشان مي دهند در ميزان انتقال حرارت و افت فشار نقش تعين کننده اي دارند.

ارايه مدل هاي رياضي جريان هاي دو فاز بر اساس تغييرات لحظه اي محلي و يا ميکروسکوپي همراه با متوسط گيري زماني است.  مدل لحظه اي محلي بر اساس تقسيم ميدان جريان دو فاز به نواحي تک فاز و وجود فصل مشترک متحرک بين آن ها است. حل معادلات حاکم هرفاز با شرايط مرزي مناسب و يکي شدن حل فاز ها در فصل مشترک براي تعين متغييرهاي لحظه‌اي است.  در اکثر موارد حل چنين روشي بعلت کوپل شدن ميدان فاز ها و شرايط مرزي غير قابل دسترسي است. با اين وجود استفاده از اين مدل مي تواند درتعين افت فشار، انتقال حرارت، تغيير فاز، ديناميک، پايداري فصل مشترک و شار حرارت بحراني  اهميت داشته باشد. بعلاوه استفاده از مدل لحظه اي محلي در رشد و اضمحلال حباب و همچنين در تشکيل و ذوب يخ کاربرد دارد.  يکي ديگر از کاربرد هاي مهم مدل لحظه اي محلي استفاده از آن در کليه مدل هاي جريان دو فاز به کمک روش هاي مختلف متوسط گيري است.

از کارهاي انجام شده و در دست انجام در هسته پژوهشی شبيه سازي جريان دو فاز و انتقال حرارت انجام چندين پروژه تحقیقاتی است كه در زير به جزئيات آن اشاره مي­ شود.

الف- جريان دو فاز مايع-بخار

1- شبيه سازي ديناميکي سيستم سرمايش جذبي در هنگام راه اندازي

2- مطالعه تجربي شار حرارت شروع جوشش هسته اي در جريان حلقه اي

3- مطالعه تجربي شار حرارتي بحراني در راکتور هاي هسته اي تحقيقاتي

4- شبيه سازي جريان دوفاز در يک لوله افقي تحت شرايط عدم تعادل ترموديناميکي

5- مطالعه تجربي انتقال حرارت جابجايي از ميله هاي حرارتي در يک استخر

6- تغيير فشار در کانال ها با تغيير مقطع ناگهاني

7- تحليل عددي جريان دو فاز حلقوي در لوله هاي افقي

8- شبيه سازي عددي تشکيل قطرات مايع در فرآيند ميعان

9- شبيه سازي عددي جريان مايع- بخار با تغيير فاز

10- تاثير سرعت گاز روي ميزان شار حرارتي لوله هاي واتروال در يک بويلر نيروگاهي

11- بررسي تجربي مشخصه هاي جريان دو فاز در ميکرو کانال ها

 

ب- جريان دو فاز گاز-جامد (مواد متخلخل)

1- شبيه سازي عددي مدل غير تعادل ترموديناميکي در مواد متخلخل

2- تعيين معيار شرط تعادل حرارتي در جريان جابجايي اجباري در کانال متخلخل

3- حل عددي مستقيم انتقال حرارت جريان سيال آرام داخل کانال متخلخل

4- حل عددي انتقال حرارت جابجايي غير عادلي در محيط متخلخل

 

معادلات حاکم

معادلات مدل دو‌سیالی بر اساس روش‌های متوسط گیری مکانی بدست می آید، بنابراین برای حل جریان دوفازی که در آنها مقیاس طولی سطح مشترک کوچکتر از ابعاد شبکه است، مناسب تر است. در این مدل دو معادله پیوستگی جرم و مومنتم به صورت جداگانه برای هر فاز حل میشود. ترمهای انتقال با استفاده از روابط ساختاری برای انتقال جرم، مومنتم و انرژی جایگزین گشته و این روابط تجربی عمدتا از آزمایشها بدست می‌آیند. در این روش هیچ فرایندی جهت تعیین موقعیت سطح مشترک درون سلول انجام نمیشود و سطح مشترک بر اساس کسر حجمی هریک از فازهای درون سلول نشان داده میشود. از طرفی مدلی بر پایه روش VOF برای حل مسائل جریان دوفازی که در آنها مقیاس طولی سطح مشترک بزرگتر از ابعاد شبکه باشد مانند جریان در بخش بالایی سرریز، دقت قابل قبولی دارد اما در جریانهایی که مقیاس طولی سطح مشترک کوچکتر از ابعاد شبکه است دچار خطای زیادی میشود. در این روش هر دو فاز به صورت مخلوط در نظر گرفته شده و از معادلات ناویر-استوکس متشکل از یک معادله پیوستگی و یک معادله مومنتم استفاده مینماید. [2] برای تعقیب سطح مشترک از یک معادله اضافی که همان معادله انتشار کسر حجمی است، استفاده میشود. مزیت اصلی کوپل دو روش VOF و دوسیالی آنست که برخی از رژیم‌های جریان با فازهای کاملا جدا شده، نیاز به مدل دو سیالی نداشته چراکه روش VOF برای آنها دقت بالاتری را به بار می‌آورد، از طرفی برای‌جریانهای پراکنده، مدل دوسیالی دقیقتر است. بنابراین اگر از ترکیب مدلهای دوسیالی و VOF برای مدلسازی جریان استفاده شود، میتوان جریان‌هایی را که شامل هردو مقیاس سطح مشترک هستند، مانند جریان دوفازی روی سرریز پلکانی را با دقت بالاتر تحلیل نمود. به نحوی که در مواضعی که مقیاس طولی سطح مشترک از ابعاد شبکه بزرگتر بود روش VOF فعال شده و سطح مشترک را با دقت بالایی بازسازی میکند و در مواضعی که مقیاس طولی سطح مشترک کوچکتر از ابعاد شبکه بود مدل دوسیالی فعال شده و مدلسازی جریان بدون لحاظ نمودن سطح مشترک ،توسط مدل دوسیالی انجام میشود. بنابراین کوپل این دو روش دقت کار را بهبود می‌بخشد و مدل کوپل شده مانع از بوجود آمدن جوابهای غیر فیزیکی برای یک مسئله دو فازی میگردد. در این شبیه سازی به دلیل اینکه حباب های تشکیل شده در برخورد پره های چرخ آبی با آب تاثیر چندانی در توزیع نیرو و فشار ندارد ما برای ساده سازی بهتر تحلیل فقط از روش vof استفاده میکنیم.

 

روش حل عددی

به منظور حل معادلات جریان سیال از فرم متوسط گیری شده معادله ناویر-استوکس و به منظور کوپل کردن معادلات سرعت و فشار از الگوریتم سیمپل برای گسسته سازی معادلات مومنتوم و توربولانس از روش مرتبه اول پیشرو و برای گسسته سازی معادلات کسر حجمی جریان دوفاز به‌منظور تخمین دقیق فصل مشترک بین آب و هوا از روش comperessive استفاده می‌شود و مدل دو فازی نیز از مدل VOF استفاده می شود.

مشخصات فیزيكی مساله

قطر توربینm 0.7 است و مرز آب و هوا یا در واقع سطح آزاد در فاصله یm 0.2 پایین تر از مرکز توربین قرار گرفته است. سرعت آب بر حسب میانگین سرعت های رودخانه ها 3 تا 5 متر بر ثانیه در نظر گرفته میشود. و بر همین اساس سرعت چرخش توربین با توجه به اینکه هیچگونه درگ یا تراستی در جریان ایجاد نشود باید محاسبه شود. در این شبیه‌سازی سرعت چرخش توربینrpm  60 در نظر گرفته شده است.

 

هندسه حل و تولید شبکه

شکل توربین توسط نرم افزار سالید طراحی شده و برای بهبود در کیفیت هندسه توربین آن را به بخش های کوچک‌تری تقسیم میکنیم. هندسه به دو قسمت کلی  rotor  و قسمت stationary تقسیم میشود. قسمت rotory که شامل توربین و استوانه‌ی سیالی است که دور توربین قرار گرفته است و قسمت چرخان هندسه حل است. قطر استوانه میتواند بین 1.12 تا 1.2 برابر قطر توربین باشد. قسمت stationary در واقع قسمت ثابتی است که در اطراف استوانه  rotary قرار گرفته است و ابعاد آن همان ابعاد دومین حل است که قسمت  rotary را از آن حذف کرده ایم.

 

 

برای تولید شبکه از نرم افزار icem استفاده شده است. ابتدا قسمت روتور به صورت بدون سازمان مش زده میشود و قسمت هایی مانند لبه حمله توربین به‌دلیل پیچیده بودن جریان و وجود گرادیان زیاد در آن ناحیه از تعداد مش بیشتری یعنی مش با اندازه ی کوچک تر استفاده میشود. برای شبکه بندی قسمت stationary از بلاک بندی و مش با سازمان استفاده می‌شود. شبکه بندی با سازمان باعث می‌شود که تعداد مش کاهش و کیفیت مش بسیار بالا شود. و توصیه میشود که برای شبکه بندی دومین از مش با سازمان استفاده شود. بعد از شبکه بندی جداگانه دو قسمت مختلف به روش های متخلف‌‌، دو قسمت باهم کوپل میشوند و به این صورت هندسه بطور کامل شبکه بندی میشود.

 

 

 

شرایط مرزی

شرایط مرزی مورد استفاده در کار حاضر برای هندسه مورد مطالعه شامل شرط مرزی ورودی است که به صورت mass-flow-inlet تعریف شده است و برای هوا و آب به صورت جداگانه دبی سیال وارد میشود، همچنین شرط مرزی خروجی pressure-outlet  برای هر دو قسمت شرط مرزی ورودی و خروجی سطح آزاد و حد پایین سیال مشخص میشود، در طرفین و بالای دامنه‌ی حل شرط مرزی symmetry تعریف شده است. توربین نیز به عوان دیوار به نرم افزار معرفی میشود.

مهم ترین بخش شرایط مرزی در حل های توربوماشینی مشخص کردن سطوح رابط یا interface است، که باید سطوح روتور و استاتور را باهم ربط دهیم به صورتی که کاملا بر روی هم قرار گیرند و شبکه بندی هایی تقریبا مشابه داشته باشند.

چرخش پروانه در هر تایم استپ مقادیر مختلفی میتواند داشته باشد که برحسب اهمیت میتوان آن را تعیین کرد. در این شبیه سازی در هر تایم استپ 3 درجه چرخش پروانه داریم، برای شبیه سازی های دقیق تر باید این مقدار خیلی کوچکتر در نظر گرفته شود.

شبکه‌ی متحرک

مدل شبکه لغزان (sliding) به شما اجازه می‌دهد تا یک مساله با نواحی (zone) متحرک نسبت به همدیگر را حل و مدل سازی کنید. این حرکت نسبی می‌تواند به صورت انتقالی و یا چرخشی باشد. حرکت نسبی اجزا ساکن و متحرک مساله را به صورت ناپایا (unsteady) در میآورد. اغلب مسائل گذرا به صورت پریودیک با زمان است که جواب گذار با یک پریود یا دوره تناوب مناسب با سرعت حرکت دامنه ها تکرار می‌شود.

مش دینامیک به شما اجازه میدهد که مرز‌های نواحی سلولی نسبت به دیگر مرز‌ها حرکت کنند و متعاقبا مش و یا شبکه مناسب را به این نواحی اعمال کنید. مرزها میتوانند به صورت صلب باشند و نسبت به همدیگر حرکت کنند ( حرکت خطی و چرخشی) و همچنین در مرز در حین حرکت تغبییرشکل بدهند.

برای تصمیم گیری انتخاب مش لغزان یا مش دینامیک به موارد زیر قت کنید:

  • مسائل متفاوت زیادی میتوان از هر دو روش حل کرد.
  • اگر مسئله‌ی مورد نظر منجر به تغییر شکل مش و یا شبکه نمی‌شود، مدل مش لغزان پیشنهاد می‌شود و این هم مهم است که این مدل ساده تر و بهینه تر است.
  • مش دینامیک وقتی استفاده می‌شود که شبکه‌ی اولیه در طول فیزیک مسائله تغییر شکل می‌دهد و یا اینکه شبکه تابعیت جواب مسئله را پیدا می‌کند.

برای مسئله‌ی حاظر باید از مش لغزان یا MESH MOTION  استفاده کنیم. که در واقع مش های ثابت (stationary) و متحرک (rotary) با مرز های مشترک که همان سطوح INTERFACE هستند روی هم میلغزند و شبیه سازی مسئله انجام می‌شود.

 

 

خدمات شرکت پردازشگران مهر

برای مدلسازی و شبیه سازی جریان دوفازی یک چرخ آبی متحرک در نرم افزار فلوئنت ، در نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS FLUENT) با ما تماس بگیرید. شرکت ما کارشناسان را در زمینه های مختلف مهندسی جمع آوری کرده است تا از کیفیت شبیه سازی CFD اطمینان حاصل شود. شرکت مهر اولین شرکتی است که شما می توانید با اطمینان خاطر سفارش پروژه CFD خود را آنلاین انجام دهید. یکی از اهداف ما این است که استفاده از روش های قدرتمند محاسباتی دینامیک سیالات را افزایش داده و مهندسان و کسانی که به دنبال دانش حرفه ای در CFD هستند را آموزش دهیم.

شبیه سازی های دینامیک سیالات محاسباتی با خدمات ما آسان خواهد شد. برای آموزش کاربرد های CFD و نرم افزارهای شبیه سازی با ما تماس بگیرید. پیشنهاد ما به شما خدمات زیر است. آموزش فلوئنت ,آموزش دینامیک سیالات محاسباتی ,انجام پروژه فلوئنت,مشاوره CFD ,شبیه سازی با فلوئنت,انجام شبیه سازی با فلوئنت,مشاوره پایان نامه فلوئنت,آموزش پایان نامه فلوئنت. مهندسان با تجربه ما مشاوره پیشرفته و پشتیبانی فنی مناسب را برای پروژهای دانشگاهی و صنعتی در اختیار شما قرار خواهند داد. شرکت پردازشگران مهر دارای سال ها تجربه در مدیریت و انجام پروژه های CFD است. ما آماده ایم که بهترین خدمات شبیه سازی را در فیلدهای مختلف مهندسی به شما ارائه دهیم.

 

 

 

نقد وبررسی

نقد بررسی یافت نشد...

اولین نفر باشید که نقد و بررسی ارسال میکنید... “شبیه سازی و آموزش جریان دوفازی یک چرخ آبی متحرک در نرم افزار فلوئنت”

پیگیری سفارش
لیست مقایسه
شگفت انگیز ها
logo-samandehi