توضیحات
پروژه شبیه سازی سایش در زانویی(Erosion) با مدل فاز گسسته(DPM) در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)
Simulation of Erosion in Elbow with DPM in Ansys Fluent Software
سایش:
سایش به معنای زدوده شدن و از دست رفتن سطح فلز در اثر بر هم کنش‌های مکانیکی نظیر برخورد ذرات جامد یا قطرات مایع می باشد. سرعت ذرات و یا قطرات مایع انرژی لازم جهت کندن یا ایجاد ترك در ماده هدف را ایجاد می نماید. از طرف دیگر پدیده خوردگی فرآیندی زدوده شدن مواد در نتیجه برهم کنش‌های شیمایی نظیر واکنش دی اکسید کربن با فلز و انحلال آهن می‌باشد. سرعت سیال می‌تواند سبب افزایش سرعت انتقال یونهای خورنده به سطح فلز گردد و در این صورت پدیده خوردگی سایشی به وقوع می پیوندد.
سایش(erosion) یکی از مشکلات عمده در صنایع مختلف مخصوصاً صنعت نفت به شمار می‌آید و سالانه مبالغ هنگفتی را به خود اختصاص می‌دهد.سایش سطوح در اثر برخورد ذرات جامد یک مسئله جدی در بسیاری از صنایع مهندسی به حساب می‌آید. هر فرآیند صنعتی که شامل حمل ذرات جامد به وسیله‌ی سیال باشد می‌تواند در معرض آسیب‌های ناشی از سایش ذرات جامد قرار گیرد. از صنایعی که همواره تحت تأثیر سایش و مشکلات آن قرار داشته است، صنعت نفت و گاز است. سایش ذرات جامد می‌تواند موجب خرابی یا شکست تجهیزات و نشت در خطوط لوله و همچنین باعث خطرات احتمالی به محیط‌زیست و اشخاص شود. نیاز به تعمیر یا تعویض قطعات بر اثر خرابی یا شکست ناشی از سایش می‌تواند بسیار هزینه‌بر باشد و باعث متوقف شدن کل سیستم و کاهش بازه تولید شود.
تجهیزاتی مانند: زانویی، اتصالات T شکل، گلوگاه ها، پمپ‌ها و دیگر اتصالات در صنایع مختلف به کار می‌روند. ویژگی مشترك این هندسه‌ها، تغییر جهت جریان و همچنین تغییر مسیر ذرات جامد است. ذرات حمل شده به وسیله‌ی سیال، مومنتم خود را از سیال حامل به دست می‌آورند. هنگامی که سیال حامل و ذرات جامد از میان این هندسه‌ها عبور می‌کنند، تعدادی از ذرات نمی‌توانند خطوط جریان را دنبال کنند. این ذرات از خطوط جریان خارج شده و به دیواره هندسه برخورد می‌کنند که باعث می‌شود سایش اتفاق بیفتد. یکی از هندسه‌هایی که بیشتر در معرض آسیب ناشی از سایش قرار دارند، زانویی‌ها هستند.
دینامیک سیالات محاسباتی:
دینامیک سیالات محاسباتی یکی از زیر شاخه هاي مهم و بنیادي از علوم مهندسی، مکانیک سیالات می‌باشد که به تحلیل و بررسی سیال و جریان سیال می‌پردازد. به عنوان مثال می‌توان به بررسی جریان هواي یک سیستم تهویه مطبوع در یک اتاق، تحلیل و بررسی توزیع دماي بدنه فضاپیماها در جریان ماوراء صوت، بهینه سازي شکل مقاطع آیرودینامیکی براي رسیدن به هدف مشخص و امثالی از این قبیل اشاره کرد. روش‌هاي بررسی و تحلیل جریان را می‌توان در سه دسته روش‌هاي تجربی، روش‌هاي تحلیلی و روش‌هاي عددي تقسیم بندي کرد. البته روش‌هاي نیمه تجربی یا مهندسی نیز با تلفیق روش‌هاي تجربی و تحلیلی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. بالا رفتن سطح پیچیدگی تحلیل و طراحی‌ها باعث شده تا استفاده از روش تجربی در اکثر موارد غیر ممکن و در صورت امکان هم هزینه‌هاي هنگفتی را بطلبد. انتخاب یکی از دو روش دیگر بستگی به دقت مورد نیاز براي پارامترهاي جریان از جمله ضرائب آیرودینامیکی، توزیع فشار و توزیع سرعت دارد. با توجه به اینکه در ارتقاء طراحی‌ها به دقت‌هاي بالایی نیاز می‌باشد و روش‌هاي مهندسی هم نمی‌توانند تحلیل دقیق و قابل قبولی از مسئله داشته باشند، بنابراین با مدل سازي مسئله و حل معادلات حاکم بر جریان سیال می‌توان به نتایج مطلوبی دست یافت. نتایج حاصل شده از حل عددي معادلات گرچه از نظر دقت نسبت به نتایج تجربی توان کمتري دارند ولی نسبت به روش‌هاي مهندسی داراي دقت بسیار بالایی هستند. بطور کلی براي شبیه سازي عددي جریان سیال باید مجموعه معادلات بقاي حاکم بر آن شامل بقاء جرم، اندازه حرکت و انرژي (معاملات ناویر استوکس) حل شوند. این معادلات از نوع معادلات مشتقات پاره‌اي بوده و ثابت شده است که این معادلات به جز در موارد بسیار خاص بصورت تحلیلی قابل حل نمی‌باشند؛ بنابراین معادلات فوق باید بصورت عددي حل شوند. با گسسته سازي معادلات و میدان می‌توان معادلات ناویر استوکس با مشتقات پاره‌اي را به معادلات جبري تبدیل نمود و به حل آنها پرداخت. دینامیک سیالات محاسباتی که به مطالعه جریان از طریق حل عددي معادلات حاکم اطلاق می‌شود ضمن بازکردن افقی جدید، در بررسی مسائل دینامیک سیالات موجب کاهش زمان و هزینه تحقیقات در زمینه‌هاي مرتبط شده است در عین حال چالش هایی نیز در مسیر کاربرد این روش وجود دارد که از جمله می‌توان مسائلی همچون مدل سازي جریانهاي مغشوش، روش‌هاي عددي در گسسته سازي معادلات و دقت روش‌هاي مختلف گسسته سازي میدان را نام برد.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی پدیدة سایش در زانویی(Erosion) با مدل فاز گسسته(DPM) در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه زانویی در نرم افزار انسیس اسپیس کلیم(Ansys SpaceClaim) ترسیم شده است.
شبکه و مش بندی:
در این پروژه از نرم افزار انسیس مشینگ(Ansys Meshing) به منظور شبکه بندی هندسه استفاده شده است.
شبیه سازی و حل:
شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
حلگر:
از حلگر فشار مبنا (pressure based) در شرایط پایا استفاده شده است.
مدل لزجت:
در این پروژه از مدل آشفتگی دو معادله ای SST k-w استفاده شده است.
وابستگی سرعت-فشار:
به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم حل کوپل استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
