توضیحات
پروژه شبیه سازی جت هم محور آشفته پروپان-هوا در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)
Simulation of Turbulent Co-Axial Jet Flow in ANSYS FLUENT Software
جت های هم محور آشفته(coaxial jets):
در بسیاری از سیستم های احتراق دیفیوژنی، سوخت گازی با سرعت بالا از یک نازل مدور و هوا از یک نازل حلقوی هم محور با نازل مرکزی سوخت با سرعتی پایین تر وارد محفظه احتراق می شود. مومنتوم جت های سوخت و هوا برای هدایت شعله و کنترل فرایند آماده سازی مخلوط که عموما مرحله محدود کننده نرخ احتراق می باشد، مورد استفاده قرار می گیرد. به این ترتیب، مطالعه رفتار جت های گازی هم محور آشفته قبل از تحلیل چنین سیستم های احتراقی ضروری است.
شعله(flame):
شعله کوچکترین شکل آتش است. یا به عبارت دیگر بخش قابل دیدن و گازی آتش می‌باشد که با یک واکنش به شدت گرماده و در یک ناحیه ضخامتی کم ایجاد می‌شود. شعله را می‌توان براساس نحوه رسیدن سوخت و ماده اکسیدکننده و ناحیه واکنش آنها به شعله غیرپیش‌آمیخته و شعله پیش‌آمیخته دسته‌بندی نمود. همچنین شعله باتوجه به ویژگی‌های جریان ورودی واکنش‌دهنده ها به دو گروه شعله آرام و شعله آشفته دسته‌بندی می‌گردد.
شکل تشکیل انواع شعله‌ها.
شعله پیش‌آمیخته(premixed flame):
اگر سوخت و اکسیدکننده قبل از احتراق و در خارج از محفظه به‌صورت یکنواخت با یکدیگر مخلوط شوند و سپس مشتعل گردند شعله پیش‌آمیخته حاصل می‌شود.
شعله انتشاری یا نفوذی(diffusion flame):
اگر واکنش دهنده ها (سوخت و اکسیدکننده) از پیش با هم مخلوط نشده و در همان ناحیه که واکنش انجام می‌گیرد مخلوط شوند، را شعله انتشاری یا نفوذی گویند.
شعله پیش‌آمیخته جزیی(partially premixed flame):
در شعله پیش‌آمیخته جزیی، سوخت و اکسیدکننده که مقدار آن از حالت استوکیومتری کمتر است، قبل از ورود به محفظه احتراق باهم مخلوط می‌شوند، جایی‌که در آن اکسیدکننده اضافی جهت انجام احتراق کامل فراهم است.
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD):
برای حل یک مسئله می توان از سه روش تحلیلی، آزمایشگاهی و یا عددی استفاده کرد. در روش تحلیلی، حل مسئله متکی بر قضایا و تحلیل های ریاضی می باشد که معمولاً در هندسه ها و شرایط ساده استفاده می شود. محققان در مسائلی که پیچیدگی های بیشتری دارد از روش های آزمایشگاهی و یا عددی استفاده می کنند. حل یک مسئله به روش آزمایشگاهی هزینه های بیشتری نسبت به حل عددی در پی دارد. اما نتایج این روش به عنوان اعتباری برای دیگر روش ها استفاده می شود. در روش عددی صحت داده ها و نتایج آن باید با پژوهشهای مشابه عددی و یا آزمایشگاهی دیگر مقایسه شود و در صورت تطابق داده ها می توان به اعتبار دادههای روش عددی استناد کرد.
تحلیل هر مسئله در مکانیک سیالات بر پایه ای از قوانین اصلی حاکم بر حرکت سیال شروع می شود. این اصول و قوانین عبارت اند از: قانون بقایای جرم، قانون بقای اندازه حرکت و قوانین اول و دوم ترمودینامیک. با استفاده از این قوانین، برای فیزیک مسئله مدلها و معادلات ریاضی به دست آورده می شود که این معادلات از نوع معادلات مشتق جزئی(PDF) می باشند. با استفاده از روش های تئوری و تحلیلی در شرایطی که مسئله از نظر هندسه و دامنه حل پیچیده نباشد میت وان با فرض خطی سازی و سایر فرض های ساده کننده مسئله را حل کرد ولی در شرایطی که مسئله کمی پیچیده تر شود امکان حل به روش تئوری و تحلیلی به دلیل سختی بیش از اندازه وجود ندارد. برای حل این مشکل از روش های CFD استفاده می شود. دینامیک سیالات محاسباتی( CFD) به فرآیند حل یک مسئله با روش عددی برای مسائل مکانیک سیالات گفته می شود که به صورت متداولی بسط و گسترش پیدا کرده اند. اولین گام برای حل مسئله به روش CFD بازکردن معادلات PDE حاکم بر فیزیک جریان با روش های مختلف گسسته سازی است.
دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) یکی از بزرگترین زمینه هایی است که مکانیک قدیم را به علوم رایانه و توانمندی های نوین محاسباتی آن در نیمه دوم قرن بیستم و در سدة جدید میلادی وصل می کند. دینامیک سیالات محاسباتی علم پیش بینی جریان سیال، انتقال حرارت، انتقال جرم، واکنش های شیمیایی و پدیده های وابسته به آن به وسیلة حل معادلات ریاضی که قوانین فیزیکی را بیان می کنند، با استفاده از یک فرآیند عددی است. این معادلات شامل پایستاری جرم، مومنتوم، انرژی، ذرات و غیره است. در این روش با تبدیل معادلات دیفرانسیل پاره ای حاکم بر سیالات به معادلات جبری، امکان حل عددی این معادلات فراهم می شود. با تقسیم ناحیه موردنظر برای تحلیل به المان های کوچکتر و اعمال شرایط مرزی برای گره های مرزی با اعمال تقریب هایی، یک دستگاه معادلات خطی به دست می آید که با حل این دستگاه معادلات جبری، میدان سرعت، فشار و دما در ناحیه موردنظر بدست می آید. با استفاده از نتایج بدست آمده از حل معادلات می توان و برآیند نیروهای وارد بر سطوح، و ضریب انتقال حرارت و غیره را محاسبه نمود.
اکنون روش دینامیک سیالات محاسباتی جای خود را در کنار روش های آزمایشگاهی و تحلیلی برای تحلیل مسائل سیالات باز کرده است و استفاده از این روش ها برای انجام تحلیل های مهندسی امری عادی شده است. درواقع تحلیل های دینامیک سیالات محاسباتی مکمل آزمایش ها و تجربیات بوده و مجموع تلاش ها و هزینه های موردنیاز در آزمایشگاه را کاهش می دهد. دینامیک سیالات محاسباتی به صورت گسترده در زمینه های مختلف صنعتی مرتبط با سیالات، انتقال حرارت و انتقال مواد به کمک سیال بکار گرفته می شود. از جمله این موارد می توان به صنعت کشتی سازی، صنعت خودروسازی، صنایع هوافضا و بسیاری موارد گسترده صنعتی دیگر اشاره کرد که دانش دینامیک سیالات محاسباتی به عنوان گره گشای مسائل صنعتی مرتبط تبدیل شده است. علی رغم اینکه قدمت دینامیک سیالات محاسباتی در دنیا چندان زیاد نیست، این شاخه از علم در ایران و در سال های اخیر، رشد بسیار خوبی داشته است.
روش های عددی مورد استفاده در CFD:
روش های عددی مورد استفاده در دینامیک سیالات محاسباتی عبارت است از:
۱- روش المان محدود؛
۲- روش حجم محدود؛
٣- روش تفاضل محدود؛
4-روش های طیفی.
در بین این روش ها، روش حجم محدود دارای کاربرد بیشتری می باشد و بیشتر نرم افزارهای تجاری، مانند نرم افزار انسیس فلوئنت در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی نیز بر مبنای این روش بسط و توسعه یافته اند.
مراحل برنامه CFD:
۱) مدلسازی هندسه مسئله
۲) تولید شبکه مناسب برای حل
۳) انتخاب معادلات مناسب جهت حل
۴) تعریف شرایط مرزی
۵) گسسته سازی معادلات حل
۶) اجرای برنامه کامپیوتری
7) نتایج آماری و نموداری.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جت هم محور آشفته در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) ترسیم شده است.
شبکه محاسباتی:
در گام دوم از روند شبیه سازی نیازمند شبکه بندی مناسب برای استفاده از روش حجم محدود می باشد. بنابراین یکی از مهم ترین و اساسی ترین قسمت در یک حل عددی با دقت قابل قبول با صرف کمترین هزینه و دقت مناسب و همچنین صرف زمان کم از موضوعات مهم در یک شبیه سازی موفق می باشد. در این پروژه از نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) به منظور شبکه بندی هندسه استفاده شده است. تولید یک شبکه مناسب تاثیر بسیار زیادی در دقت نتایج به دست آمده خواهد داشت. لازم است در نواحی که گرادیان های جریان زیاد است و یا سطح جسم از لحاظ هندسی با تغییرات زیادی همراه است، شبکه از تراکم مناسبی برخوردار باشد. دقت هر شبیه سازی به شدت وابسته به کیفیت شبکه است.
نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS Fluent):
نرم افزار Ansys Fluent، یکی از قوی ترین نرم افزارهای محاسباتی برای شبیه سازی جریان سیال و انتقال حرارت در هندسه های پیچیده می باشد. برخی از قابلیت های این نرم افزار به صورت زیر می باشد: مدل سازی سیال های نیوتنی و غیر نیوتنی، جابجایی آزاد و اجباری، انتقال حرارت هدایتی و تشعشعی و جابجایی، چارچوب های چرخان و ساکن، مدل سازی جریان ها در هندسه های پیچیده دو بعدی و سه بعدی، مدلسازی جریان های پایا و گذرا، غير لزج، آرام و مغشوش، دو فازی و چند فازی، سطح آزاد با شکل های سطح پیچیده و مدل سازی جریان در محیط های متخلخل، مدل سازی مشعل های خانگی و صنعتی. از این نرم افزار در صنایع مختلف پتروشیمی، هوافضا، توربو ماشین های خودروسازی، الکترونیک (نیمه هادی ها و خنک سازی قطعات الکترونیک)، مبدل های حرارتی، تهویه مطبوع، مشعل سازی استفاده می شود. این نرم افزار قابلیت مدل سازی جریان های دو و سه بعدی را داراست. این نرم افزار بر پایه روش حجم محدود که یک روش بسیار قوی و مناسب در روش های دینامیک سیالات محاسباتی می باشد، بنا شده است. قابلیت های فراوانی نظیر مدل سازی جریانهای دائم و غير دائم، جریان لزج و غير لزج، احتراق، جریان مغشوش، حرکت ذرات جامد و قطرات مایع در یک فاز پیوسته و ده ها قابلیت دیگر Fluent را تبدیل به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور نموده است.
حلگر:
نوع حلگر مورد استفاده، حلگر مبتنی بر فشار در شرایط پایا و متقارن می باشد.
مدل لزجت:
مدل آشفتگی دو معادله ایSST k-w استفاده شده است.
سیال:
سیال مورد استفاده شامل گازهای پروپان (C3H8) و O2 و N2 می باشند
وابستگی سرعت-فشار:
به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم حل کوپل(coupled) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
