پایان نامه با کلید واژگان
شبیه‌سازی، توانایی ها، نرم افزار No category

کمک CFD1 می‌توان راکتور را در اندازه واقعی شبیه‌سازی کرد و با توجه به نتایج حاصل به configuration و شرایط مناسب راکتور پیش بینی کرد .
تحلیل رفتار سیالات
برای تحلیل رفتار سیالات می‌توان مطالعات آزمایشگاهی و تجربی را به کار برد. از سال‌ها و قرن‌های گذاشته دانشمندان زیادی از جمله اولر2، لیبینیز3، نیوتن4، رینولدز5، پرانتل6، استوکس7، ناویر8 و … تلاش‌های فراوانی جهت مطالعه، بررسی و شناخت رفتار جریان‌های سیالات و در طول دوران‌های مختلف انجام دادند.
این تلاشها منجر به پیدایش مکانیک سیالات9 گردید. به عبارت دیگر مکانیک سیالات شالوده نتایج و یافته های مطالعه شده می‌باشد که به صورت آزمایشگاهی و در اثر سعی و تکرارهای گسترده به دست آمده است.
با استفاده از نتایج حاصل شده از آزمایشهای مختلف و استفاده گسترده معادلات دیفرانسیل و روابط ریاضی معادلات حاکم تئوری ـ کاربردی و امروزی به دست آمدند. بسیاری از دانشمندان به جمع‌آوری و تعمیم معادلات مکانیک سیالات پرداختند. پس به طور کلی برای تحلیل رفتار سیالات دو روش موجود می‌باشد:
روش آزمایشگاهی و تجربی
روش تئوری ( استفاده از معادلات حاکمه )
همانطور که اشاره گردید روش‌های تئوری از مطالعات آزمایشگاهی و واقعی پدیده‌های علمی به دست می‌آیند. با استفاده از روش‌های ریاضی می توان به حل معادلات تئوری دست یافت. جواب‌های تحلیلی معادلات ریاضی، جواب‌های بسیار دقیقی هستند به شرط آنکه معادله مورد نظر با توجه به هندسه مسئله توسط روش تحلیلی قابل حل باشد. شرایط مسئله مانند دو بعدی و یا سه بعدی بودن هندسه، شرایط مرزی، دو فازی بودن مسئله، بزرگی ابعاد هندسی مسئله و … باعث استفاده از روش‌های عددی جهت حل معادلات گردید.
روش‌های عددی به صورت المان محدود ، با تقریب مناسب به حل مسأله پرداخته و جواب‌های ایده‌آل و قابل قبولی را به ما می‌دهند.
پیش زمینه پیدایش CFD
توسعه و پیشرفت علوم کامپیوتر و استفاده گسترده از زبان‌های برنامه‌نویسی منشأ پیدایش دینامیک سیالات محاسباتی، جهت حل عددی معادلات مکانیک سیالات در قرن حاضر گردید. به بیان روش عددی CFD، یک روش جدید، سریع و کاربردی در دنیای امروز است که به حل معادلات مکانیک سیالات می پردازد.
اگر روشCFD را به عنوان سومین روش تحلیل جریان سیالات قلمداد نماییم، می‌توانیم به یک مقایسه خلاصه و مختصر بین روش‌های مطرح شده بپردازیم.
مقایسه روش های حل معادلات مکانیک سیالات
جدول شماره 1-1 : مقایسه روش‌های حل معادلات مکانیک سیالات
نام روش
محاسن
معایب
روش آزمایشگاهی و تجربی
بیان نتایج واقعی و کاملاً معتبر – دقت بسیار بالا
محدودیت محیط آزمایشگاه
محدودیت ابزار سنجش
بالا بودن هزینه ساخت مدل واقعی
بالابودن هزینه ها به علت صرف زمان بالای آزمایش
خطر آزمایش برخی از سیالات شیمیایی
روش تئوری
استفاده از معادله تعریف شده ریاضی
محدودیت معادل بندی
در هندسه‌های پیچیده کاربرد ندارد
خطای پایین نسبت به نتایج واقعی
روش CFD
کاهش زمان دستیابی به نتایج
کاهش هزینه ساخت
کاهش هزینه تحقیق
استفاده از روند حل نتایج
حل مسائل پیچیده هندسی
حل مسائل وابسته به زمان در حالت‌های مختلف
تحلیل شرایط مرزی مختلف
داشتن خطا خصوصاً خطای برشی
نیاز به کامپیوترهای نسبتا قوی با حافظه بالا در تعریف مسئله می‌باشد زیرا کوچکترین اشتباهی در تعریف مسئله موجب افزایش خطا و عدم همگرایی در جواب ها می شود
دینامیک سیالات محاسباتی
دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD عبارت از تحلیل سیستم‌های شامل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده‌های همراه نظیر واکنش های شیمیایی، بر اساس شبیه‌سازی کامپیوتری است. CFD روش بسیار توانایی می‌باشد به‌طوری که طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی و غیر صنعتی را در بر می‌گیرد برخی مثال‌ها عبارتند از:
نیروگاه : احتراق دستگاه I.C و توربین‌های گاز
توربو ماشین : جریان های داخل گذرگاه های دوار، پخش کننده و غیره
مهندسی دریا : بارهای روی ساختمان های ساحل
مهندسی فرآیند شیمیایی : اختلاط، جداسازی، راکتور، شکل‌گیری پلیمر
صنایع هوایی : تست های تونل باد برای تعین عملکرد ترکیب های مختلف
صنایع ساختمانی :طراحی سیستم گرمایش و تهویه ساختمان ها
CFD به یک جزء اساسی در طراحی تولیدات صنعتی و فرآیندها در آمده است .هدف نهایی توسعه و پیشرفت در زمینه CFD رسیدن به توانایی قابل مقایسه با ابزارهای CAE (مهندسی به کمک کامپیوتر) نظیر برنامه های تحلیل تنش می‌باشد. دلیل اصلی این که چرا CFD به کندی پیشرفت کرده است در حقیقت پیچیدگی زیاد رفتار اساسی آن و عدم بحث جریان سیال در رابطه با مسائل اقتصادی و مقرون به صرفه بودن آن است. توضیح جریان که هم زمان اقتصادی و کامل باشد و نیز وجود سخت افزارهای با عملکرد بسیار خوب محاسباتی و واسطه های با استفاده ساده منتقل به رشد جالبی شده و CFD موفق شد که در ده 1990 در حد گسترده تری وارد حوزه ارتباطات صنعتی شود.
قیمت تقریبی مجوز دائمی نرم افزارهای تجاری بین 50000-10000 دلار بسته به تعداد بسته های اضافی مورد نیاز، متغیر است روشن است که قیمت سرمایه گذاری روی توانایی های CFD کم نیست ولی هزینه کل به اندازه یک کار تجربی با کیفیت بالا نمی‌باشد. بعلاوه CFD در طراحی سیستم‌های سیالاتی چند مزیت منحصر به فرد نسبت به روش‌های تجربی دارا می‌باشد.
کاهش اساسی در زمان و قسمت‌های طراحی جدید
توانایی مطالعه سیستم‌هایی که انجام آزمایشات کنترل شده روی آن‌ها مشکل و یا غیر‌ممکن می‌باشد (نظیر سیستم‌های بزرگ)
توانایی مطالعه سیستم‌ها، تحت شرایط تصادفی و بالاتر از حد معمول آن‌ها ( نظیر مطالعات مطمئن و موضوعات تصادفی)
به دست آوردن نتایج با جزئیات زیاد
قیمت متغیر یک آزمایش از لحاظ کرایه وسائل و یا قیمت ساعت کار افراد با تعداد نقاط داده‌ها و تعداد دفعات آزمایش متناسب است. در مقابل برنامه‌های CFD می‌توانند نتایج زیادی تولید کنند در حالی که واقعاً مخارج چندانی افزوده نمی شود و برای پیش‌بینی پارامترهای موضوعی بسیار ارزان می باشد. برای مثال می توان به بهینه سازی تجهیزات فرآیندهای شیمیایی اشاره کرد.
مراحل کاریCFD به طور کلی
اگر بخواهیم مراحل کاری حل یک مسئله به صورت عددی CFD را بیان کنیم می توانیم مراحل زیر را به اختصار نام ببریم:
مدل سازی هندسی مسئله
تولید شبکه مناسب برای حل
انتخاب معادلات مناسب جهت حل
تعریف شرایط مرزی
گسسته سازی معادلات حل
اجرای برنامه کامپیوتری
نتایج آماری و نموداری
مراحل کاری یک برنامه CFD در یک نگاه
نمودار 1-1 : مراحل کاری یک برنامه CFD در یک نگاه
یک برنامه CFD چگونه کار می‌کند؟
ساختار برنامه CFD روش حل عددی است، به طوری که مسائل جریان سیال با استفاده از این روش قابل حل می باشند. به منظور فراهم آمدن دسترسی آسان به حل توأم آن‌ها تمام بسته‌های نرم‌افزار تجاریCFD شامل واسطه‌های کاربری پیچیده‌ای جهت ورود پارامترهای مسائل نتایج می‌باشند، از این‌رو تمام برنامه‌ها شامل سه جزء اصلی می باشند:
پیش پردازنده
حل کننده
پس پردازنده
پیش پردازنده
عبارت است از ورودی مساله جریان به بک برنامه CFD با استفاده از یک واسطه عملکرد ساده و سپس تبدیل این ورودی به یک شکل مناسب برای استفاده توسط حل کننده، وظایف یک کاربر در مرحله پیش پردازنده عبارت است از:
تعریف هندسه ناحیه مورد نظر میدان محاسباتی
تولید شبکه یا تقسیم بخش‌های کوچک به نواحی کوچک‌تر
انتخاب مجموعه پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی که باید مدل شوند
تعریف خواص سیال
تشخیص و تعریف شرایط مرزی لازم در سلول‌هایی که منطبق و یا در تماس با مرز محدوده می‌باشند.
اعمال پارامترهای کنترل حل عددی
حل یک مساله جریان (سرعت، فشار، دما و غیره) در گره‌های داخلی هر سلول قرار می‌گیرد. دقت مربوط به یک حل CFD از تعداد سلول‌های موجود در شبکه پیروی می‌کند. هر چه تعداد سلول‌ها بیشتر باشد حل مساله دقیق‌تر انجام می‌شود. شبکه‌های مطلوب اغلب غیر یک نواخت می‌باشد. در جایی که تغییرات از نقطه‌ای به نقطه دیگر زیاد است، ریزتر و در نواحی با تغییرات نسبتاً کم درشت‌تر است.
بیش از50% زمان استفاده شده در صنعت روی پروژه CFD صرف تعیین هندسه محدوده و تولید شبکه می‌شود. در حال حاضر برای به حداکثر رساندن بهره‌مندی کاربران CFD، اغلب برنامه‌های مهم شامل فصل مشترک با نرم‌افزار CAD بوده و یا از امکاناتی برای ورود اطلاعات از سطح سازه‌های تخصصی و تولید کننده های شبکه از جمله ANSYS برخوردار می‌باشند.
پس پردازنده
مانند پیش پردازنده اخیراً مقدار زیادی از کار در محیط پس‌پردازنده صورت می‌گیرد. به دلیل افزایش تنوع نیازهای مهندسی، بسیاری از آن‌ها دارای توانایی های ترسیمی بالایی هستند.
نمایش میدان هندسی و شبکه
ترسیمات بردار
ترسیمات خط و سایه10
ترسیمات سطح دو بعدی و سه بعدی
مسیر حرکت ذره
نمایش نتایج به صورت رنگی
حل کننده
در این جا سه روش مجزا برای روش‌های عددی وجود دارد که عبارتند از:
اختلاف محدود ، عناصر محدود و حجم محدود
اختلاف محدود
در این روش مجهولات Ø مسأله جریان را با استفاده از همسایه‌های هر نقطه در نقاط گره مربوط به صورت شبکه خطوط مختصات تعیین می‌کنند. اغلب از بسط‌های تیلور منقطع برای به دست آوردن تقریب‌های اختلاف محدود مشتقات Ø در عبارات همسایه‌های نقطه Ø در هر شبکه و در همسایه‌های آن استفاده می‌شود، بنابراین مشتقات ظاهر شده در معادلات حاکم توسط اختلاف محدود جایگذاری شده و یک معادله جبری برای مقادیر Ø در هر نقطه از شبکه را می‌دهند.
عناصر محدود
در روش عناصر محدود از توابع تکه‌ای ساده (خطی یا درجه دوم) که برای عناصر ارزش داشته باشند به منظور شرح تغییرات محلی متغیرهای مجهول جریانØ استفاده می‌شود. معادلات حاکم با استفاده از حل دقیق Ø کاملاً ارضا می‌شوند. اگر توابع تقریب تکه‌ای برای Ø در معادله جایگذاری شوند معادله دقیقاً ارضا نخواهد شد و یک باقی‌مانده برای اندازه‌گیری خطاها تعریف می‌شود. سپس باقی‌مانده‌ها در برخی جهات توسط ضرب آن‌ها در یک مجموعه‌ای از توابع وزنی و انتگرال‌گیری به حداقل می‌رسند، در نتیجه ما یک مجموعه‌ای از معادلات جبری برای ضرائب مجهول توابع تقریب به دست می‌آوریم.
حجم محدود
این روش در ابتدا به عنوان یک فرمول‌بندی اختلاف محدود ویژه توسعه یافت. انتگرال‌گیری از حجم کنترل، روش حجم محدود را از سایر روش‌های CFD متمایز می‌نماید. نتیجه اظهارات دقیق، بقاء خواص مربوطه را برای هر سلول به اندازه محدود بیان می‌کند. این رابطه روشن بین الگوریتم عددی و قاعده کلی بقاء اصلی فیزیکی، یکی از جاذبه‌های اصلی روش حجم محدود را تشکیل می‌دهد.
نرم‌افزار FLUENT ANSYS اساس روش حل آن حجم محدود11 می باشد و چون در این تحقیق از نرم افزارFLUENT ANSYS استفاده شده است لذا به تفسیر روش حجم محدود می پردازیم.
تشریح عملکرد حل کننده12
اساس حل مسائل در نرم‌افزار FLUENT ANSYS روش حجم محدود می‌باشد و فرم گسسته شده معادلات پایستگی در نهایت بصورت زیر در می‌آید.
اندیس nb نمایان‌گر سلول های همسایه P می‌باشد.
a_P ∅_P=∑_nb▒〖a_nb ∅_nb 〗+b
شکل 1-1 : فرم گسسته شده معادلات پایستگی
در حالت دو بعدی هر سلول دارای 4 سلول همسایه (E,N,W,S) می‌باشد ‌و در حالت سه بعدی 6 سلول. در هندسه با مش نامنظم تعداد سلول های نامنظم به شکل سلول و Topology مش بستگی دارد. معادله بالا برای تمام متغیر‌ه

دسته‌ها: No category

دیدگاهتان را بنویسید