آموزش شبیه سازی مشعل یک محفظه احتراق
500,000 تومان
آخرین بروزرسانی : 30 آذر, 1400
بررسی اجمالی محصول
با خرید این محصول، ویدئوی آموزش شبیه سازی مشعل یک محفظه احتراق در نرم افزار ansys fluent به همراه فایل شبکه بندی آن (msh.) را دریافت خواهید کرد.
تمامی محصولات شامل فایل های Geometry و Mesh بوده و آموزش محصولات به صورت یک جلسه آنلاین یک ساعته خواهد بود.
نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی مشعل یک محفظه احتراق
شرح مسأله
مسأله ی حاضر مربوط به شبیه سازی یک محفظه ی احتراق درون مشعل میباشد. درواقع، مشعل دستگاهی است که با ترکیب مقدار معینی هوا با سوخت در یک فضای ایمن، انرژی سوخت را به انرژی گرمایی تبدیل میکند که در اثر این فرایند احتراق، مقداری گاز نیز تولید میشود. شعله ی تولید شده در مشعل، توسط دو روش جابه جایی و تشعشع به محیط داخلی محفظه انتقال مییابد. بدین ترتیب در مدل حاضر، باید از مدل تشعشعی (radiation) نیز استفاده شود. همچنین، از آنجایی که درون مفظه فرایند احتراق اتفاق میافتد، از مدل گونه های گازی (species) نیز استفاده میشود. نحوه ی عملکرد این مشعل بدین گونه است که سوخت از یک ورودی مخصوص جت سوخت به فضای درون محفظه پاشش مییابد و همچنین جریان های گاز به صورت متقارن از چهار جهت وارد فضای درون مشعل میشود و درنتیجه با ترکیب سوخت و هوا شعله شکل میگیرد. ضمناً سیستم کاری محفظه بدین صورت است که مسیر جریان گازی درون محفظه به صورت سیکلی است و مقداری از آن از بخش اگزوز خارج شده و بخش دیگری از آن نیز از همین مسیر سیکلی بازگشتی به درون محفظه باز میگردد. شکل 1 شماتیکی از این مدل را نشان میدهد.
شکل 1 : شماتیکی از ساختمان مشعل
برای شبیه سازی حاضر از چند فرض استفاده شده است:
- حل مسأله بر اساس دیدگاه pressure-based انجام گرفته است.
- شبیه سازی مذکور از نظر زمانی به صورت پایا (steady) میباشد.
- اثر گرانش زمین بر روی مدل نادیده گرفته شده است.
گام 1) ترسیم هندسه و شبکه بندی
هندسه ی مدل حاضر به صورت سه بعدی و با استفاده از نرم افزار design modeler طراحی شده است. از آنجایی که مدل حاضر دارای ساختمان متقارنی میباشد، فقط یک قطاعی از آن با زاویه ی نود درجه ترسیم شده است و دو سطح جانبی قطاع حاضر به عنوان symmetry عمل میکنند. مدل از سه لوله با قطر کوچک تحت عنوان مجراهای ورودی (دو لوله مخصوص ورودی هوا و یک لوله مخصوص ورودی سوخت) و یک لوله با قطر کوچک تحت عنوان مجرای خروجی (اگزوز) تشکیل شده است. شکل 2 نمایی از هندسه ی ترسیمی را نشان میدهد.
شکل 2 : نمایی از هندسه ی ترسیمی
شبکه بندی مدل حاضر توسط نرم افزار ansys meshing انجام گرفته است. شبکه بندی به صورت بدون سازمان انجام شده و تعداد سلول ها معادل 1107286 میباشد. در مقاطع ورودی ها و خروجی، جهت افزایش دقت در رفتار سیال، از مش لایه مرزی استفاده شده است. شکل 3 نمایی از شبکهبندی انجام گرفته را نشان میدهد.
شکل 3 : نمایی از شبکه بندی
گام 2) مراحل شبیه سازی
خلاصه ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول 1 آمده است :
استفاده از مدل radiation
به طور کلی انتقال حرارت سیالات در سه دسته صورت میگیرد که شامل انتقال حرارت هدایتی، انتقال حرارت جابه جایی و انتقال حرارت تشعشعی میباشد. انتقال حرارت تشعشعی عبارت است از انتقال حرارتی که از طریق امواج الکترومغناطیسی صورت میگیرد. از آنجایی که این امواج با سرعت نور منتقل میشوند، بنابراین سرعت انتقال انرژی در این حالت نیز برابر با سرعت نور است. به طور کلی، همه ی اجسام در دمایی مشخص، از سطح خود حرارتی را تابش میکنند که به عنوان انتقال حرارت تشعشعی شناخته میشود؛ بدین ترتیب میتوان گفت که علت اصلی انتقال حرارت تشعشعی، حرکات دورانی و ارتعاشی مولکولها، اتمها و الکترونهاست که درواقع مقدار دما برایند این تحرکات را نشان میدهد. انتقال حرارت تشعشعی جزء پدیده های حجمی است؛ هرچند برای اجسام ماتی همچون فلزات، تابش به صورت سطحی اتفاق میافتد.
انرژی تشعشعی خارج شده از سطح درون یک محیط به وسیلهی رابطهی استفان بولتزمن به دست میآید که در آن، T دمای سطح و محیط، Ԑ معادل ضریب صدور (برای اجسام سیاه برابر یک) و ضریب ثابت σ برابر 5.67*108 میباشد:
مدلهای انتقال حرارت تشعشعی مختلفی در نرم افزار فلوئنت وجود دارند که شامل مدلهای DO، DRTM، P1، S2S، Rosseland، MC و solar ray tracing میشود.
از مدل discrete ordinates model DO برای مواردی استفاده میشود که معادلات انتقال حرارت تشعشعی برای تعداد گسستهای از زوایای محدود جامد حل میشوند. مزایای آن عبارت است از این که جامع ترین مدل تشعشعی است، دقت حل با استفاده از گسست هسازی بهتر افزایش مییابد، روشی پایستار است که منجر به موازنهی انرژی حرارتی برای گسسته سازی درشت میشود، و قابل استفاده برای حالت پراکندگی و پخش نور، محیط های نیمه شفاف، صفحات براق مثل آیینه و انتقال وابسته به طول موج با به کارگیری محیط خاکستری میباشد؛ در حالی که محدودیت آن عبارت است از این که حل آن با تعداد زیادی زاویه برای cpu سنگین است.
از مدل discrete transfer radiation model DTRM برای مواردی استفاده میشود که بتوان تشعشع در حال ترک از یک المان سطحی در بازهای پیوسته و مشخص از زوایای جامد را به صورت یک اشعهی منفرد در نظر گرفت. مزایای آن عبارت است از این که مدل نسبتاً سادهای است، قابلیت افزایش دقت را با افزایش تعداد اشعه ها دارد، و می تواند به بازه ی گسترده ای از ضخامتهای نوری اعمال گردد؛ در حالی که محدودیتهای آن عبارت است از این که تمام صفحات منتشرکننده هستند، اثر پخش و پراکندگی تابش در نظر گرفته نمیشود، و حل آن با تعداد زیادی اشعه برای cpu بسیار سنگین است.
از مدل P1 برای مواردی استفاده میشود که استقلال از جهت یا راستا در معادلات انتقال حرارت تشعشعی ادغام شود و در نتیجه منجر به یک معادلهی پخش یا انتشار برای تابش های تصادفی میباشد. مزایای آن عبارت است از این که معادله ی انتقال حرارت تشعشعی به راحتی با cpu پایین نیز حل میشوند، اثرات پراکندگی نور را شامل میشود مثل اثرات ذرات و یا قطرات آب و یا دوده، و در کاربردهایی مثل احتراق که دارای ضخامت نوری بالایی هستند به خوبی عمل میکند؛ در حالی که محدودیت های آن عبارت است از این که تمام صفحات منتشر کننده هستند، ممکن است در مواردی دارای نتایجی با دقت پایین باشد به خصوص در هندسه های دارای ضخامت کوچک، و متمایل به پیشبینی شارهای تابشی از منابع حرارتی محلی یا چشمه هاست.
از مدل surface to surface radiation model S2S برای مواردی استفاده میشود که در موقعیت مربوط به مدلسازی تشعشع، هیچ محیط مادیای وجود نداشته و یا در مدلسازی تشعشع دخالت نداشته باشد. از جمله مثال های مربوط به این مدلسازی تشعشعی شامل سیستمهای کلکتور خورشیدی، سیستم حرارت پس دهی فضاپیما، هیتر فضایی تابشی و سیستمهای خنک کاری زیرزمینی خودرویی میباشد. همچنین این مدل مبتنی بر ضریب دیدها میباشد و برای حالت های بدون دخالت محیط جوابگوست. محدودیتهای آن عبارت است از این که نیاز به فضای ذخیره سازی مورد نظر به سرعت افزایش مییابد وقتی تعداد صفحات افزایش مییابد، فرض میشود که تشعشع از نوع خاکستری است، تمام صفحات منتشر کننده هستند، و در شرایط مرزی متقارن یا متناوبی مورد استفاده قرار نمیگیرد.
مدل splar ray tracing تحت عنوان الگوریتم ردیابی اشعه ای برای انتقال انرژی حرارتی ناشی از خورشید میباشد که با سایر مدل های تشعشعی سازگاری داشته و فقط برای مدلهای سه بعدی مورد استفاده قرار میگیرد. مشخصه های این مدل نیز شامل بردارهای راستای خورشید، شدت خورشیدی (از نظر تابش مسقیم و انتشار پراکنده)، محسابه گر خورشیدی جهت محاسبه ی جهت و شدت تابش مستقیم با استفاده از حداکثرهای تئوری و یا شرایط متعادل هوایی میباشد.
به طور کلی برای انتخاب بهترین مدل انتقال حرارت تشعشعی در مسائل مختلف بدین صورت عمل میگردد:
- از نگاه زحمت محاسباتی: P1 دارای دقت منطقی اما با زحمت پایین
- از نگاه دقت حل: DO و DTRM دارای دقت بیشتر
- از نگاه ضخامت نوری : DTRM و DO مناسب برای ضخامت نوری نازک (𝛂L≪1) و P1 مناسب برای ضخامت نوری ضخیم
- از نگاه پراکندگی یا پخش : P1 و DO مناسب برای پراکندگی
- از نگاه اثرات ذراتی : P1 و DO برای تغییر تشعشعی بین گاز و ذرات ریز مناسب است
- از نگاه منابع حرارتی محلی : DO و DRTM با تعداد به اندازهی کافی بالای اشعهها مناسبتر هستند
non-gray model : به طور کلی به سطوحی که تشعشع آنها مستقل از مسیر است، سطوح پخش کننده (diffuse surface) میگویند و به سطوحی که تشعشع آنها مستقل از طول موج است، سطوح خاکستری (gray surface) میگویند. لذا برای شبیه سازی مدلهای تشعشعی غیرخاکستری، نیاز به تعریف طیف های دارای طول موج مشخص (دارای طول موج شروع و پایان بر حسب میکرومتر) است. در اینجا نیز افزایش تعداد طیفهای نوری موجب افزایش هزینهی محاسباتی میشود.
emissivity در شرایط مرزی : به نسبت انرژی ساطع شده توسط یک سطح به انرژی ساطع شده توسط یک جسم سیاه (جسمی که کاملترین جذب کننده و ساطع کننده میباشد یا به عبارتی دیگر، هیچ جسمی در یک دما و طول موج مشخص، نمیتواند بیشتر از جسم سیاه انرژی ساطع کند) در یک دمای یکسان، ضریب انتشار یا گسیلندگی (emissivity) میگویند که همواره دارای مقداری بین صفر و یک میباشد. این ضریب انتشار برای مقاطع ورودی و خروجی استفاده میشود. همچنین سطوح زبر دارای بازتابهای انتشار تشعشعی پراکنده و تصادفی میباشند و سطوح صیقلی مثل آینهها دارای شرط مرزی انعکاسی میباشند. شرط مرزی نیمه شفاف (semi-transparent) برای مدلسازی مواردی مثل تخته های شیشهای موجود در هوا استفاده میشود و از مدل مات (obaque) برای مدلسازی دیوارهای مات که مانند اجسام خاکستری رفتار میکنند، استفاده میشود و سپس میتوان کسر انتشار (diffuse fraction) را تعیین کرد که معادل کسر شار تشعشعی بازتابی در قالب انتشار میباشد؛ بدین ترتیب که وقتی برابر یک است، یعنی تمام تشعشع به صورت انتشاری است و وقتی برابر صفر است، یعنی تشعشع بازتابی ضعیفی وجود دارد.
استفاده از مدل sprcies
از مدل گونه های گازی یا species برای شبیه سازی انتقال گونه های گازی، واکنش شیمیایی گونه های گازی و فرایند احتراق مورد استفاده قرار میگیرد. مدلهای مختلفی برای گونه های گازی وجود دارد که شامل انتقال گونه ها (species transport)، احتراق پیش آمیخته (premixed combustion)، احتراق غیرپیش آمیخته (non-premixed combustion) و احتراق پیش آمیخته جزئی (partially premixed combustin) میباشند.
مدل species transport به شبیه سازی اختلاط و انتقال گونه های گازی با حل معادلات بقا شامل منابع جابهجایی، دیفیوژن و واکنش برای هر یک از گونهها میپردازد. با این مدل، واکنشهای شیمی چندگانه با واکنشهای در حال اتفاق در فاز بالکی (همان واکنشهای حجمی)، روی دیوارهها، بر سطوح ذرات و در نواحی متخلخل میتوانند شبیهسازی شوند.
مدل premixed combustion دارای ویژگیخایی است که عبارتند از این که سوخت و اکسید کننده به صورت مولکولی پیش از اشتعال اختلاط مییابند، انتقال یا توسعهی شعله از سمت محصولات داغ به سمت واکنش دهندههای سرد میباشد، نرخ توسعهی شعله یا همان سرعت شعله بستگی به ساختار شعلهی داخلی دارد، و آشفتگی شکل شعلهی لمینار را دچار اعوجاج کرده و توسعهی شعله را شتاب میدهد. لازم به ذکر است که برای شبیهسازی شعلهی واکنشی توربولانسی، اگر از دیدگاه کسر مخلوطی (mixture fraction) استفاده شود، باید از مدل احتراق غیرپیشآمیخته استفاده شود، و اگر از دیدگاه متغیر پیشروی واکنش (reaction prograss) استفاده شود، باید از مدل پیشآمیخته استفاده گردد.
مدل non-premixed combustion دارای ویژگیهایی است که عبارتاند از این که سوخت و اکسید کننده از مسیرهای جریان جداگانه وارد منطقهی واکنش میشوند یعنی قبل از ورود به محفظه، پیش آمیخته نمیشوند مثل موتورهای احتراق داخلی دیزلی و کورههای ذغال سنگ مایع، انتقال حرارت جابهجایی یا دیفیوژن واکنش دهندهها از هر طرف به سمت ورق شعله خواهد بود، آشفتگی شکل شعلهی لمینار را دچار اعوجاج کرده و اختلاط را تقویت میکند، و ممکن است احتراق به یک مسأله ی اختلاطی ساده سازی شود و مشکلات مرتبط با نرخ واکنشهای متوسط غیرخطی کنار گذاشته شود. در این مدل، از تعریف کسر مخلوطی (mixture fraction) که بیانگر کسر جرمی نشأت گرفته از جریان سوخت است (دارای نماد f)، استفاده میشود که همان کسر جرمی محلی المانهای جریان سوختی سوخته و نسوخته (مثل C و H و …..) در گونه های گازی مختلف (مثل CO2 و H2O و O2 و …..) میباشد.
گام 3) نتایج نهایی
پس از فرایند حل، کانتورهای دو بعدی و سه بعدی مربوط به دما، فشار، سرعت و همچنین کسر جرمی گونه های گازی O2، CO2، H2O و CH4 حاصل شده است. کانتورهای دو بعدی و سه بعدی با استفاده از تکنیک های دوران و بازتاب در حجم و سطح مقطع کامل ترسیم شده اند. شکلهای 4 الی 15 نتایج حاصل را نشان میدهد.
دیدگاه
دیدگاهی ثبت نشده.