شبیه سازی و سیمولیشن CFD

که در آن تنسور تنش ناشی از گرانروی مولکولی است که به صورت زیر تعریف می‌شود:

شبیه سازی و سیمولیشن CFD

شبیه سازی فرآیند فرسایش در زانویی و سه راهی پلی اتیلن ناشی از ذرات جامد معلق در خطوط انتقال گاز طبیعی شهری به کمک CFD

SUPERVISOR

STUDENT

FACULTY - DEPARTMENT

DEGREE

TITLE

Simulation of Erosion Process Caused by Solid Paticles in Elbow and Tee Polyethelene in Urban Natural Gas Pipeline by CFD

Erosion, caused from solid particles is one of the most important problems of oil and gas industries. Presence of solid particles of sand, metal oxides and catalysts result in erosion and rupture in process equipment. Thus, prediction of erosion rate for preventing probable hazards is of paramount importance. With improvements of numerical methods and emergence of computational fluid dynamics, using CFD simulation as a reliable substitute for experiment in prediction of erosion rate has been taken into consideration. So, in current thesis, process of erosion caused from suspended solid particles in the gas distribution network has been simulated using CFD with Oka erosion model, at operational conditions of gas distribution network of Kerman city in winter. Stream of gas-solid, has been taken into consideration as a dilute stream and in accordance to distributed phase model. Interaction of particle-wall with the restitution coefficient model of Grant-Tabakoff has been simulated. Solid particles obey from non-uniform distribution of Rosin-Rammler and their volumetric fraction is lower than 10%. Thus, the interaction of particle-particle has been neglected. Turbulent stream has been simulated using k-? (Realizable). Erosion rate, in terms of rate of reduction of thickness of the wall has been predicted in 10, 20 and 30 m/s velocities and four geometries: short radius elbow, long radius elbow, direct stream tee and side stream polyethylene tee with 1in diameter. For validating the results of simulation and correction coefficients of angle functionality in the Oka’s erosion model for solid particles of شبیه سازی و سیمولیشن CFD dark powder and polyethylene wall, grid convergence index has been used. The results of simulation show that rate of reduction of thickness of the wall in the two long and short radius elbows are equal to each other for velocity of 10m/s. Upon increasing velocity of the fluid, rate of reduction of thickness of the wall for the short radius elbow reduces more than long radius elbow. By comparing pattern of erosion for two cases of uniform and non-uniform particle size distribution (Rosin-Rammler), in the long radius elbow, it is observed that uniform distribution of particle size concentrated erosion in the middle part of elbow curve. However, for the non-uniform particle size, the erosion pattern has increasing trend from beginning to the end of elbow. Also, functionality of corrected angle predicts the highest rate of erosion for non-uniform size distribution to occur at impact angle of 17 o . Keywords : Oka’s erosion model, Elbow, Tee, Polyethylene, Computational Fluid Dynamics

فرسایش ناشی از ذرات جامد یکی از مهم ترین مشکلات مرتبط با صنایع نفت و گاز می باشد. حضور ذرات جامد شن، اکسیدهای فلزی و کاتالیست ها منجر به فرسایش و شکست تجهیزات فرآیندی می شود. بنابراین پیش بینی نرخ فرسایش به منظور جلوگیری از خطرات احتمالی ناشی از شکست دارای اهمیت ویژه ای می باشد. با پیشرفت روش های عددی و معرفی دینامیک سیالات محاسباتی استفاده از شبیه سازی CFD به عنوان یک روش جایگزین آزمایشگاهی و قابل اطمینان در پیش بینی نرخ فرسایش مورد توجه قرار گرفته است. بدین ترتیب در پایان نامه اخیر، فرآیند فرسایش ناشی از ذرات جامد معلق شبیه سازی و سیمولیشن CFD در شبکه گاز رسانی در شرایط عملیاتی خطوط توزیع و انتقال گاز شهر کرمان در فصل زمستان با استفاده از مدل فرسایش اوکا بوسیله CFD شبیه سازی شده است. جریان گاز- جامد رقیق و منطبق بر مدل فاز پراکنده در نظر گرفته شده است. اندرکنش ذره- دیواره با مدل ضریب بازگشت گرانت-تاباکوف شبیه سازی شده است. ذرات جامد از توزیع غیر یکنواخت رزین- راملر پیروی کرده وکسر حجمی آن ها کمتر از %10 می باشد. بنابراین از اندرکنش ذره- ذره صرف نظر شده است. جریان آشفته با استفاده از مدلk-? (Realizable) شبیه سازی شده است. نرخ فرسایش بر حسب نرخ کاهش ضخامت دیواره در چهار هندسه زانویی شعاع کوتاه، زانویی شعاع بلند، سه راهی جریان مستقیم و سه راهی جریان انشعابی پلی اتیلن به قطر 1 اینچ در سه سرعت10، 20 و 30 متر بر ثانیه پیش بینی شده است. برای اعتبارسنجی نتایج شبیه سازی و هم چنین تصحیح ثوابت تابعیت زاویه در مدل فرسایش اوکا برای ذرات جامد پودر سیاه و دیواره پلی اتیلن از روش شاخص همگرایی شبکه استفاده شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که نرخ کاهش ضخامت دیواره در دو زانویی شعاع بلند و شعاع کوتاه در سرعت 10 متر بر ثانیه با یکدیگر برابر است. با افزایش سرعت سیال، نرخ کاهش ضخامت دیواره در زانویی شعاع کوتاه بیشتر از زانویی شعاع بلند افزایش می یابد. با مقایسه الگوی فرسایش دو نوع توزیع یکنواخت و غیر یکنواخت اندازه ذره (رزین-راملر) در زانویی شعاع بلند در شرایط یکسان مشاهده می شود که توزیع یکنواخت اندازه ذره منجر به فرسایش متمرکز در ناحیه میانی خم زانویی می شود. در حالی که توزیع غیر یکنواخت، الگوی فرسایش را از ابتدا تا انتهای زانویی بصورت افزایشی گسترش می دهد. همچنین تابعیت زاویه تصحیح شده بیشترین نرخ فرسایش توزیع غیر یکنواخت اندازه ذره را در زاویه برخورد 17درجه پیش بینی می کند. واژه های کلیدی : مدل فرسایش اوکا، زانویی، سه راهی، پلی اتیلن، دینامیک سیالات محاسباتی

شبیه سازی CFD

شبیه سازی CFD با استفاده از نرم افزار Fluent، تصاویر واقعی از جریان هوا در محیط را فراهم می کند. هر چه اطلاعات و پارامترهای ورودی دقیقتر باشد ، نتیجه کامل و صحیح تری را شاهد خواهیم بود. در نظر گرفتن همه عواملی محیطی در این موضوع مهم می باشد. ما 2 نرم افزار انحصاری را در اختیار داریم که بصورت مداوم شبیه سازی هایی را برای موارد سخت و پیجیده ، ارائه می کنیم.

نمایشی پویا از یک شبیه سازی

شبیه سازی CFD

شبیه سازی CFD از یک سالن کنفرانس

© 2012-2022 PRIHODA s.r.o., Za Radnicí 476, 539 01 Hlinsko, EU-Czechia. All rights reserved.

Thanks to cookies, we measure the functionality of the website and we can address you with personalized content and relevant advertising. By clicking on the “I agree with everything“ button, you will approve the storage of technical, analytical and performance cookies. We also share information about usage the website with selected partners. You can adjust the exact way of using cookies according to your own preferences by clicking on the “Cookie settings“ button.

Cookies are used to improve websites, to display personalized content and to analyze visitor data. Technical cookies are necessary for the operation of the website - by using the website, you agree to their usege.

They provide key website features such as security, network management, accessibility, and basic traffic statistics. You can turn off technical cookies in your browser settings, but this can negatively affect the functionality of the website.

They allow you to display relevant content and personalized offers and ads based on your interests on www.prihoda.com, on third-party sites, and on social networks.

Third-party tools (such as Google Analytics) allows to improve the way website works with information about usage. Cookies collect this information in a way that does not allow direct identification.

مروری بر دیدگاه شبیه‌ سازی گردابه‌ های بزرگ

پس از آشنایی با جریان آشفتگی و آشنایی با مدل های جریان آشفتگی در این مقاله آموزشی به مروری بر دیدگاه شبیه‌ سازی گردابه‌ های بزرگ (LES) می پردازیم که امیدواریم برای دانشجویان کارشناسی ارشد و فارغ التحصیلان رشته مهندسی مکانیک برای ارایه مقاله های علمی و پژوهشی, پایان نامه های کارشناسی ارشد مفید واقع شود.

شبیه‌ سازی گردابه‌های بزرگ( (LES

شبیه‌سازی LES (Large Eddy Simulation) جریان آشفته شامل سه مرحله اساسی است که عبارتند از:

۱- فیلترینگ معادلات ناویر-استوکس برای حذف مقیاس‌ های کوچک. معادلات به دست آمده که نشان‌ دهنده تکامل مکانی - زمانی گردابه‌ های بزرگ هستند شامل تنسور تنش مقیاسهای زیرشبکه‌ ای یا همان گردابه‌ های کوچک هستند که بر گردابه‌ های بزرگ تأثیر می‌گذارند. تنسور تنشهای SGS بستگی به چگونگی تعریف اپراتور فیلترینگ دارد.

۲- جایگزین کردن تنسور تنشهای SGS با یک مدل شناخته شده.

۳- حل عددی مدل نهایی (معادلات شناخته شده ) برای مسئله مورد نظر در شبکه‌ای که اندازه مشهای آن به قدر کافی کوچک است تا بتوان کوچکترین گردابه‌ های بزرگ را حل نمود. در ادامه، دو موضوع فیلترینگ و مدلسازی تنشهای SGS بررسی خواهند شد.

در اثر فیلتر کردن معادلات ناویز استوکس متغیر فی به دو بهش فیلتر شده و نوسانی تجزیه می شود :

عملیات فیلترینگ در دیدگاه LES مشابه عملیات متوسط‌ گیری رینولدز در دیدگاه RANS می‌باشد با این تفاوت که در اینجا فی یک متغیر تصادفی است (نه متوسط) و متوسط نوسانات یک متغیر مخالف صفر است:

یک متغیر فیلتر شده به صورت زیر تعریف می‌شود:

که در آن D دومین محاسباتی و G تابع فیلتری است که مشخص کننده مقیاس گردابه‌های بزرگ است.

تابع فیلتر جعبه‌ای:

که در آن H ارتفاع فیلتر و Δ اندازه طول محاسباتی سلول است. با استفاده از این فیلتر مقدار برابر متوسط در محدوده به دست می‌آید.

تابع فیلتر گوسی:

این تابع یک توزیع گوسی با متوسط صفر و واریانس می‌باشد که توسط Leonard در سال 1974 ارائه شده است. شکل زیر نمونه‌ای از میدان سرعت واقعی U(x) و میدان سرعت فیلتر شده U(x) را نشان می‌دهد که با استفاده از فیلتر گوسی به دست آمده است. به روشنی می‌توان دید که U(x) رفتار کلی U(x) را دنبال می‌کند با این تفاوت که نوسانات مقیاسهای کوچک در آن حذف شده است. همین رفتار در میدان نوسانات سرعت نیز دیده می‌شود. همان‌گونه که قبلا ذکر شد مشاهده می‌شود که نوسانات فیلتر شده برابر صفر نیستند.

در نهایت پس از انجام عملیات فیلترینگ، معادلات ناویر استوکس به صورت زیر تبدیل می‌شوند:

که در آن تنسور تنش ناشی از گرانروی مولکولی است که به صورت زیر تعریف می‌شود:

و تنسور تنش مقیاس‌های زیر‌شبکه‌ای (SGS) بوده که عبارت است از:

همانند تنسور تنشهای رینولدز در دیدگاه RANS از فرضیه Boussinesq برای بستن تنسور تنشهای SGS در دیدگاه LES استفاده می‌شود:

که در آن بخش ایزوتروپیک تنشهای SGS بوده و به ترم فشار استاتیک فیلتر شده افزوده می‌شود. در نتیجه، برای قابل حل کردن معادله فوق بایستی V_t که گرانروی گردابه‌های SGS است مدل شود.

اسماگورینسکی در سال ۱۹۶۳ اولین مدل پیشنهادی را برای V_t ارائه نمود. با فرض تعادل میان نرخ تولید و اتلاف انرژی آشفته رابطه اسماگورینسکی برای گرانروی گردابه‌های SGS عبارت است از:

که در آن، C_s ثابت مدل، دلتا طول فیلتر شبکه برابر با V 1/3 (که V حجم سلول است) و مدول نرخ کرنش گردابه‌های بزرگ بوده و . مدل اسماگورینسکی یک مدل ساده، مقاوم و اقتصادی است که به عنوان اولین انتخاب در اکثر شبیه‌سازی‌های LES استفاده می‌شود. علی رغم تمام این مزیتها، این مدل یک مشکل مشخص داشته و آن عدم وجود یک مقدار منفرد برای ثابت C_s است که در تمام مسائل صدق کند.

تاکنون مقادیر مختلفی برای این ثابت پیشنهاد شده است. با مقایسه نتایج LES با نتایج شبیه سازی و سیمولیشن CFD شبیه سازی و سیمولیشن CFD دقیق به دست آمده از دیدگاه DNS آقایان McMillan و FerZiger نشان دادند که بیشترین دقت برای نتایج LES با مقدار C_s=0.17 به دست می‌آید. برای جریانهای داخل کانال، ثابت C_s معمولاً به مقادیر کمتری نظیر 0.1 کاهش می‌یابد. با این وجود برای جریان‌های با آشفتگی آیزوتروپیک مقادیر بزرگتری نظیر 0.2 نیز پیشنهاد شده است.

از نرم افزار های مهندسی OpenFoam و Fortran که از نرم افزار های مهندسی مهم در مقطع کارشناسی ارشد می شبیه سازی و سیمولیشن CFD باشند برای شبیه سازی گردابه های بزرگ استفاده می شود. برای مطالعه و آشنایی با نرم افزارهای OpenFoam و Fortran می توانید با کلیک بر روی نام نرم افزار های به مقاله مورد نظر هدایت شوید.

برای مطالعه مقالات آموزشی بیشتر در رشته مهندسی مکانیک می توانید با کلیک بر روی عنوان های زیر به مقالات مربوطه منتقل شوید :

شبیه سازی و سیمولیشن CFD

Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:

Heidari A. CFD Simulation of Operational Parameters Effects on Mixing Quality of Two-phase Gas-Liquid Flow in Agitated Vessel. Modares Mechanical Engineering. 2018; 18 (8) :9-18
URL: http://mme.modares.ac.ir/article-15-16807-fa.html

حیدری امیر. شبیه‌سازی CFD نحوه اثر شرایط عملیاتی در کیفیت اختلاط جریان دوفازی گاز-مایع در مخزن همزن‌دار. مهندسی مکانیک مدرس. 1397; 18 (8) :18-9

در این تحقیق چگونگی اثر شرایط عملیاتی بر نحوه توزیع فاز گاز در مخزن‌همزن‌دار دوفازی گاز-مایع با پره راشتون به کمک تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) مورد بررسی قرار گرفت. به منظور شبیه‌سازی رفتار جریان چند فازی در مخزن دو فازی گاز-مایع از دیدگاه اولری-اولری استفاده گردید. با توجه به هیدرودینامیک پیچیده و ماهیت جریان آشفته در مخزن همزن‌دار، رفتار جریان آشفته در مخزن بر اساس مدل RNG k-ε مدل شد. با بررسی شرایط عملیاتی بر اساس عدد بی‌بعد هوادهی و عدد رینولدز پره، چگونگی توزیع کسر حجمی فاز گاز در مخزن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد کمترین میزان ماندگی فاز گاز در ناحیه کف مخزن الی زیر پره و بیشترین میزان ماندگی فاز گاز در ناحیه اطراف پره شکل می‌گیرد. با افزایش عدد رینولدز پره مشاهده شد که کیفیت اختلاط در مخزن به علت تشکیل نواحی گردابه‌ای بزرگتر بهبود پیدا می‌کند. همچنین نتایج نشان شبیه سازی و سیمولیشن CFD داد با افزایش عدد هوادهی و عدد رینولدز پره میزان تجمع گاز در مخزن افزایش پیدا می‌کند. با بررسی عدد توان پره مشاهده شد که با افزایش عدد هوادهی در رینولدز ثابت پره میزان توان مورد نیاز برای اختلاط رفتار کاهشی و در عدد هوادهی ثابت با افزایش عدد رینولدز میزان توان مصرفی افزایش پیدا می‌کند.

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل | موضوع مقاله: سازه های هوا فضا
دریافت: 1396/11/25 | پذیرش: 1397/7/3 | انتشار: 1397/7/3

بازنشر اطلاعات
	این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است.

• خوانندگان

لطفاً نشانی پست الکترونیک خود را برای دریافت اطلاعات و اخبار پایگاه در کادر زیر وارد کنید.

این نشریه ی دارای دسترسی باز، تحت قوانین گواهینامه بین‌المللی Creative Commons Attribution 4.0 International License منتشر می‌شود که اجازه اشتراک (تکثیر و بازآرایی محتوا به هر شکل) و انطباق (بازترکیب، تغییر شکل و بازسازی بر اساس محتوا) را می‌دهد.

همکاری در شبیه سازی CFD و ارزیابی سیستم تهویه ساختمان اداری بانک پارسیان

یکی از دغدغه های اصلی در طراحی سیستم های تهویه مطبوع، اطمینان از توزیع یکنواخت جریان و سرمایش و گرمایش در بخش های مختلف ساختمان است. این مساله در ساختمان های بزرگ، اهمیت بیشتری می یابد و در ساختمان های دارای آتریوم، شرایط بسیار پیچیده ای پیدا می کند. در پروژه پیش رو سیستم تهویه مطبوع ساختمان مرکزی بانک پارسیان، در سه طبقه به هم پیوسته و شامل طرحی مشابه به آتریوم، با استفاده از نرم افزارهای CFD مورد تحلیل و شبیه سازی قرار گرفت. مجری اصلی این پروژه جناب آقای مهندس اسلامی بودند و گروه شبیه سازان در زمینه ستاپ، شبیه سازی و پردازش محاسبات همکاری نمودند.

بدین منظور، ابتدا هندسه طرح که دارای جزییات فراوانی است، در سه طبقه و با استفاده از نرم افزار SolidWorks تولید شد. پس از آن، با استفاده از نرم افزار ANSYS-Meshing، شبکه محاسباتی مناسبی برای سه طبقه به هم پیوسته تولید شد. تعداد سلول های محاسباتی در این سه طبقه بیش از 20 میلیون بود که می بایست در آن ها 7 معادله مربوط به جریان، آشفتگی و انرژی شبیه سازی شود. تاثیرات ارتفاع و جریان های طبیعی در ساختمان نیز با استفاده از مدل رایج بوزینسک در نظر گرفته شد. در نهایت شبیه سازی، تاثیرات انباشت حرارت در طبقات بالا را نشان داده و پیشنهاداتی جهت اصلاح هوارسانی در ساختمان ارائه گردید.

تذکر: به منظور حفظ حقوق معنوی کارفرمایان، تصاویر مندرج در ذیل، مربوط به داده های ورودی فرضی است و نتایج شبیه سازی های نهایی درج نشده است.