توضیحات

پروژه شبیه سازی احتراق هیدروژن – هوا توسط نرم افزار انسیس فلوئنت

 

Simulation of Hydrogen-air Combustion in ANSYS FLUENT

 

احتراق:

فرآيندي كه طي آن مقداري از سوخت، اكسيد شده و انرژي زيادي آزاد ميشود را احتراق مي گويند. اكسيدكننده اي كه اغلب در فرآيندهاي احتراق استفاده مي شود، هوا مي باشد(به دليل ارزاني و قابل دسترس بودن). اكسيژن خالص را به دليل گران قيمت بودن، تنها در بعضي از فرآيندهاي خاص استفاده مي كنند. در يك مول يا يك حجم خاص از هواي خشك، ٩/٢٠ درصد اكسيژن، ١/٧٨ درصد نيتروژن، ٩/٠ درصد آرگون و مقادير ناچيزي دي اكسيدكرين، هليم، نئون و هيدروژن وجود دارد. از آنجا كه در فرآيند احتراق، آرگون شبيه نيتروژن عمل مي كند، تركيب هوا را به صورت ٢١ درصد اكسيژن و ٧٩ درصد نيتروژن، توسط اعداد مولي در نظر مي گيرند. در طول احتراق، نيتروژن به عنوان يك گاز خنثي عمل كرده و به جز تشكيل مقدار كمي نيتريك اكسيد، با تركيبات موجود در فرآيند، واكنش نمي دهد. از آنجا كه گاز نيتروژن در دماي كم و مقدار زياد، وارد محفظه احتراق شده و در دماي بالا محفظه را ترك مي كند، مقدار زيادي از انرژي احتراق را جذب كرده و درنتيجه حضور آن، فرآيند احتراق را شديداً تحت تأثير قرار مي دهد.

گرما+ محصولات احتراق      →         (O2+N2)  اكسيد كننده+ سوخت

در فرآيند احتراق، به تركيبات قبل از واكنش، واكنشدهنده ها يا reactants و به فرآورده هاي واكنش، محصولات احتراق يا products مي گويند. در فرآيند زير، يك مول اكسيژن با يك مول كربن واكنش داده و مقدار زيادي حرارت به همراه يك مول دي اكسيد توليد مي كند.

C+O →CO

در واكنش بالا، كربن و اكسيژن را واكنشدهنده ها و دياكسيدكربن را محصول احتراق مي نامند. قراردادن سوخت در معرض اكسيژن، براي آغاز فرآيند احتراق كافي نيست. براي آغاز احتراق بايد دماي سوخت را بالاتر از حدي رساند كه به آن دماي احتراق مي گويند. به عنوان مثال، كمترين دماي احتراق براي تركيبات فوق در فشار اتمسفر  عبارت است از: ٢٦٠ درجه سلسيوس براي گازوئيل، ٤٠٠ درجه براي كربن، ٥٨٠ درجه براي هيدروژن و ٦١٠ درجه براي منواكسيدكربن. علاوه بر اين موضوع، نسبت هوا و سوخت نيز بايد در حد مناسبي باشد تا فرآيند احتراق آغاز شود. به عنوان مثال، فرآيند احتراق گاز طبيعي در هوا، در شرايطي كه نسبت تمركز گاز، كمتر از ٥ درصد و يا بيشتر از ١٥ درصد باشد، انجام نمي شود.

در فرآيند احتراق سه عامل نقش حياتي دارد: سوخت، گرما و  اكسيژن.

عوامل ديگر زمان ، دما و تلاطم نقش مهمي در تشكيل يك احتراق مناسب دارد.

شرايط احتراق مطلوب سوخت هاي مختلف :

ـ مخلوط سوخت و هوا بايد سريعا قابل اشتعال باشند.

ـ  شعله حاصله بايد تحت تمامي شرايط پايدار باشد.

ـ شعله بايد كاملا در محدوده داخلي كوره باشد.

ـ احتراق كامل با حداقل هواي اضافي صورت گيرد.

ـ محدوده مشخصي جهت انتشار گازها و ذرات سوخته مشخص گردد.

زمان تزريق:

از آغاز تزريق سوخت بوسيله انژكتور تا پايان آن را برحسب ثانيه، زمان تزريق گويند.

زمان تأخير احتراق:

زماني است بين شروع تزريق تا مشاهده اولين شعله يا افزايش اولين مقدار فشار.

هواي ايده آل:

كمترين مقدار هواي كافي براي احتراق كامل تمام كربن، هيدروژن و ساير عناصر يك سوخت كه توانايي اكسيده شدن را داشته باشند هواي  ايده آل مي نامند.

سوخت :

هر مادهاي كه در تركيب با اكسيژن و گرما ايجاد نور و حرارت كند، سوخت ناميده مي شود.

زمان اقامت:

متوسط زماني است كه يك ذره وارد محفظه احتراق شده و تا زمان خروج در آنجا در حال واكنش است.

سوخت ها تركيباتي از هيدروژن(H)، كربن(C) و مقدار كمي گوگرد(S) مي باشند كه وقتي محترق مي شوند هيدروژن سريعتر و با دماي كمتري از كربن مي سوزد. هيدروژن با رنگ آبي مي سوزد و رنگ زرد شعله مربوط به سوختن كربن مي باشد.

علت سوختن سريع هيدروژن نسبت به كربن تركيب سريع آن با اكسيژن هوا است. چنانچه سوخت كامل بسوزد مواد حاصله از احتراق نسبتا بيزيان بوده و عبارتست از دي اكسيد كربن و بخار آب.

براي اينكه عمل سوختن در هر حال كامل انجام شود بايد هواي بيشتري به آن داده شود. اين مقدار در احتراق ١٠ تا  ٤٠ درصد مي باشد.

 هواي اضافي :

هواي مورد نياز تئوري/هواي مورد نياز واقعي.

مشخصات و طبقه بندي شعله:

1- شعله پيش آميخته(premixed flame)

اگر سوخت و اكسيدكننده قبل از احتراق و در خارج از محفظه به صورت يكنواخت با يكديگر مخلوط شوند و سپس مشتعل گردند شعله پيش آميخته حاصل مي شود.

2-شعله انتشاري يا نفوذي(diffusion flame)

اگر واكنش دهندگان (سوخت و اكسيد كننده) از پيش با هم مخلوط نشده و در همان ناحيه كه واكنش انجام مي گيرد مخلوط شوند به آن شعله انتشاري يا نفوذي گويند.

قسمت هاي مختلف محفظه احتراق:

در فرآيند احتراق سوخت با هوا مخلوط شده و مي سوزد.

به طور كلي احتراق به دو دسته تقسيم مي شود:

1-سوخت و هوا ابتدا مخلوط ميشوند سپس ميس وزند.

٢-احتراق و مخلوط شدن همزمان رخ مي دهند.

در سيستم هاي احتراق قديم، هوا بطور جداگانه وارد قسمت احتراق شده و در آنجا مخلوط و مشتعل مي شوند(احتراق ديفيوژن) در چنين وضعيتي، دماي شعله به طور قابل ملاحظه اي بالا بوده و مي تواند از C°١١٥٠ فراتر رود. اين نوع احتراق به علت دماي بالاي شعله و همچنين عدم امكان آميزش كامل و يكنواخت سوخت و هوا، NO_x بالايي توليد مي كند. همچنين مصرف سوخت بالايي به دنبال دارد.

سيستم هاي پيشرفته امروزي كه ميزان آلاينده هاي كمتري دارند، به صورت كاملا متفاوتي عمل مي كنند.

احتراق كامل و ناقص :

سوخت ها عمدتا از هيدروكربن ها تشكيل شده اند كه شامل دو عنصر هيدروژن و كربن مي باشد.

هنگام سوختن هيدروژن با اكسيژن هوا توليد آب كرده و كربن با اكسيژن در احتراق كامل توليد دي اكسيدكربن مي نمايد. وقتي كه اكسيژن به مقدار كافي براي احتراق فراهم نگردد احتراق ناقص صورت مي­گيرد كه موارد حاصل از اين نوع احتراق  دي اكسيد كربن، بخار آب و مونوكسيد كربن و پاره اي مواد سمي و بدبو خواهد بود. بنابراين احتراق ناقص از دو جهت زيان آور خواهد بود. يكي عدم استفاده كامل از انرژي سوخت و ديگري توليد گازهاي خطرناك كه تنفس آنها زيان آور است. با تغيير ميزان هواي ورودي به مشعل ميزان مونوكسيدكربن و دي اكسيدكربن موجود در دود خروجي تغيير مي كند. اگر مقدار هوا كمتر از حد لازم باشد مونوكسيدكربن زياد شده و دود تا حد زيادي تيره به نظر مي رسد. اگر مقدار هوا زياد باشد مونوكسيد كربن كم شده و دي اكسيد كربن بالا رفته و از حد مجاز ١١ تا  ١٢ درصد بيشتر مي شود. ميزان خروجي هاي حاصل از هر احتراق توسط دستگاه هاي آناليز گازهاي حاصل از احتراق مشخص مي گردد.

هيدروژن:

هيدروژن عنصري گازي شكل است كه به همراه اكسيژن در آب، همچنين در كاني ها و در نفت و گاز پيدا مي شود. هيدروژن فراوانترين عنصر در جهان است. هيدروژن در تركيب بيش از ٩٠ درصد اتم ها وجود دارد.  امروزه به علت افزايش قيمت سوخت هاي فسيلي و مشكلات به وجود آمده ناشي از آلايندگي خودروها، هيدروژن به يكي از مورد توجه ترين سوخت هاي جايگزين تبديل شده است. هيدروژن داراي خواص ويژه اي است كه اين امر سبب مي شود تا رفتار احتراقي هيدروژن از بنزين بسيار متفاوت باشد. بنابراين مدلسازي احتراق هيدروژن بسيار مهم و مطالعه در اين زمينه ضروري است.

منابع اصلي هيدروژن موارد زير هستند:

بخارهاي حاصل از سوختن كربن، تجزيه هيدروكربن ها توسط گرما، واكنش هاي سديم، هيدروكسيد پتاسيم با آلومينيوم، الكتروليز آب يا جانشيني اسيد توسط فلزات.

نگهداري هيدروژن:

سوخت هيدروژن همان اندازه كه پاك است، خطرناك نيز هست و به همان اندازه ذخيره آن پيچيده است. در مجموع براي حفظ ايمني ساخت در تمام شرايط، سه عدد سوپاپ مخصوص روي مخزن سوخت قرار مي گيرد. يكي از اين سوپاپ ها با رسيدن فشار هيدروژن به ميزان مشخص باز مي­شود و دو سوپاپ ديگر نيز براي جلوگيري از خطر نشت هيدروژن از مخزن به بيرون درنظر گرفته مي شود و دماي آن نيز پائين نگه داشته مي­شود. جالب اين كه هيدروژن به سختي مايع مي شود و بايد اين گاز را در حرارت ١٥٠ درجه زير صفر با فشار بالا قرار داد تا بتوان آن را مايع كرد. پس نوع مخزن ذخيره­سازي هيدروژن هم بسيار پيچيده خواهد بود. حفظ ايمني اين مخزن پيچيده تر است، زيرا در صورت انفجار، به راحتي محله اي را به هوا خواهد برد. براي حفظ فشار مناسب در سوپاپ هاي تزريق، سيستم مديريت موتور، فشار هيدروژن در لوله هاي مربوطه را به ٢/١ بار كاهش مي دهد. چهار سنسور نيز در نقاط خطرناك و حساس نصب شده و پس از هرگونه نشت در سيستم اخطار مي دهند.

ويژگي هاي سوخت هيدروژني:  

1-هيدروژن سادهترين و فراوانترين عنصر در طبيعت به ميزان بيش از ٧٠ درصد كل گازهاي موجود است.  2-گازي بي رنگ، بي بو، بي مزه و قابل احتراق است كه مي تواند مقدار زيادي انرژي آزاد كند و چگالي آن از هر ماده شيميايي ديگر كمتر است.

3-اين عنصر قابليت تركيب مجدد با اكسيژن و همچنين توليد انرژي بسيار زيادي را دارد.

4-هيدروژن در مقايسه با ساير سوخت ها مي تواند با راندماني بالاتر و احتراق بسيار پاك به ساير اشكال انرژي تبديل شود.

5-هيدروژن داراي بالاترين ظرفيت انرژي به ازاي هر واحد وزن سوخت ميباشد و ميزان حرارت توليد شده از آن در اثر احتراق در واحد وزن بيشتر از هر سوخت ديگر است.

6-هيدروژن از لحاظ شيميايي بسيار فعال بوده و به ندرت به عنوان يك عنصر در طبيعت يافت مي شود و معمولا در واكنش با عناصر ديگر بوجود مي آيد.

7-از سوختن هيدروژن فقط بخار آب حاصل ميشود و سريع و بدون هيچ خطري توسط محيط اطراف جذب ميشود.

8-يك كيلوگرم از هيدروژن تقريباً سه برابر همين ميزان بنزين انرژي آزاد ميكند.

9-هيدروژن چهار برابر سريع تر از متان و ده برابر سريع تر از بخارهاي بنزين نفوذ مي كند.

10-ويژگي هايي كه هيدروژن را از ساير گزينه هاي مطرح سوختي متمايز مي نمايد.

از ويژگي هايي كه هيدروژن را از ساير گزينه هاي مطرح سوختي متمايز مي سازد ميتوان به فراواني، مصرف تقريبا منحصر به فرد، انتشار بسيار ناچيز آلاينده ها، برگشت پذير بودن چرخه توليد آن و كاهش اثر گلخانه­اي اشاره نمود. آسيب هاي ناشي از مصرف سوخت هاي فسيلي آنچنان عرصه را بر مردم جهان تنگ كرده است كه اگر هر چه زودتر اقدام موثري در اين باره صورت نگيرد گرمايش زمين، آلودگي هوا و ذوب شدن يخ هاي قطبي عوارض بسيار ناگوارتري را بر مردم گيتي تحميل خواهد كرد. بنابراين بايد هر چه زودتر بر اين مشكل نقطه پاياني گذاشت.

مزاياي استفاده از هيدروژن به عنوان سوخت عبارتند از:

پس از احتراق محصول توليد شده بخار آب و اكسيد نيتروژن مي باشد.

بوسيله خط لوله ميتوان آن را انتقال داد.

ميزان حرارت توليد شده در اثر احتراق در واحد وزن بيشتر از هر سوخت مورد استفاده ديگر مي باشد.

يك سوخت عمومي به شمار ميرود، زيرا ميزان اختلاط آن با هوا را براي احتراق در يك باند وسيع مي توان تغيير داد.

ديناميك سیالات محاسباتی(CFD):

دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) يكي از بزرگترين زمينه هايي ست كه مكانيك قديم را به علوم رايانه و توانمندي هاي نوين محاسباتي آن در نيمه دو م قرن بيستم و در سده جديد ميلادي وصل مي كند. تا حدود انتهاي جنگ جهاني دوم، بيشتر شيوه هاي مربوط به حل مسائل ديناميك سيالات از طبيعتي تحليلي يا تجربي برخوردار بود. همچون تمامي نوآوري هاي برجسته علمي، در اين مورد هم اشاره به زمان دقيق آغاز ديناميك محاسباتي سيالات ناميسر است. در اغلب موارد، نخستين كار بااهميت در اين رشته را به ريچاردسون نسبت مي دهند، كه در سال ١٩١٠ (ميلادي) محاسبات مربوط به نحوهي پخش تنش(stress distribution) در يك سد ساخته شده از مصالح بنايي را به انجام رسانيد. در اين كار ريچاردسون از روشي تازه موسوم به رهاسازي(relaxation) براي حل معادله لاپلاس استفاده نمود. او در اين شيوهي حل عددي، داده هاي فراهم آمده از مرحله پيشين تكرار (iteration) را براي تازه سازي تمامي مقادير مجهول در گام جديد به كار مي­گرفت.

ديناميك سيالات محاسباتي يا CFD عبارت از تحليل سيستم هاي شامل جريان سيال، انتقال حرارت و پديده هاي همراه نظير واكنش هاي شيميايي، بر اساس شبيه سازي كامپيوتري است. CFD روش بسيار توانايي مي باشد به طوري كه طيف وسيعي از كاربردهاي صنعتي و غير صنعتي را در بر مي گيرد برخي مثال ها عبارتند از:

-نيروگاه: احتراق دستگاه هاي I.C و توربين هاي گاز

-توربوماشين: جريان هاي داخل گذرگاه هاي دوار، پخش كننده و غيره

-مهندسي دريا: بارهاي روي ساختمان هاي ساحل

-مهندسي فرآيند شيميايي: اختلاط، جداسازي، رآكتور، شكل گيري پليمر CFD به صورت يك جزء اساسي در طراحي توليدات صنعتي و فرآيندها در آمده است. هدف نهايي توسعه و پيشرفت در زمينه CFD رسيدن به توانايي قابل مقايسه با ابزارهاي (مهندسي به كمك كامپيوتر) نظير برنامه هاي تحليل تنش مي باشد. دليل اصلي اين كه چرا CFD به كندي پيشرفت كرده است در حقيقت پيچيدگي زياد رفتار اساسي آن و عدم بحث جريان سيال در رابطه با مسائل اقتصادي و مقرون به صرفه بودن آن است. توضيح جريان كه هم زمان اقتصادي و كامل باشد و نيز وجود سخت افزارهاي با عملكرد بسيار خوب محاسباتي باعث گرديده كه CFD موفق شود كه در دهه ١٩٩٠ در حد گسترده تري وارد حوزه ارتباطات صنعتي شود.

به علاوه CFD در طراحي سيستم هاي سيالاتي چند مزيت منحصر به فرد نسبت به روش هاي تجربي دارا مي باشد.

-كاهش اساسي در زمان و قسمت هاي طراحي هاي جديد

-توانايي مطالعه سيستم هايي كه انجام آزمايشات كنترل شده روي آن ها مشكل و يا غير ممكن مي باشد (نظير سيستم هاي بزرگ)

-توانايي مطالعه سيستم ها، تحت شرايط تصادفي و بالاتر از حد معمول آن ها (نظير مطالعات مطمئن و موضوعات تصادفي)

-قيمت متغير يك آزمايش از لحاظ كرايه وسائل و يا قيمت ساعت كار افراد با تعداد نقاط داده ها و تعداد دفعات آزمايش متناسب است. در مقابل برنامه هاي CFD مي توانند نتايج زيادي توليد كنند در حالي كه واقعاً مخارج چنداني افزوده نمي شود و براي پيش بيني پارامترهاي موضوعي بسيار ارزان مي باشد براي مثال مي توان به بهينه سازي تجهيزات فرآيندهاي شيميايي اشاره كرد.

یک برنامه CFD چگونه كار مي كند؟

به منظور فراهم آمدن دسترسي آسان به حل عددي تمام مسائل، بسته هاي نرم افزار تجاري CFD شامل واسطه هاي كاربري پيچيده اي جهت ورود پارامترهاي مسائل و نتايج مي باشند از اين  رو تمام برنامه ها شامل سه جزء اصلي مي باشند:

١)پيش پردازنده

٢)حل كننده

٣)پس پردازنده

پيش پردازنده:

عبارت است از ورودي مسأله جريان به يك برنامه CFD با استفاده از يك واسطه عملكرد ساده و سپس تبديل اين ورودي به يك شكل مناسب براي استفاده توسط حل كننده.

وظايف كاربر در مرحله پيش پردازنده عبارتست از:

-تعريف هندسه ناحيه مورد نظر ميدان محاسباتي

-توليد شبكه يا تقسيم بخش هاي كوچك به نواحي كوچك تر

-انتخاب مجموعه پديده هاي فيزيكي و شيميايي كه بايد مدل شوند.

-تعريف خواص سيال

-تشخيص و تعريف شرايط مرزي لازم در سلول هايي كه منطبق و يا در تماس با مرز محدوده مي باشند.

حل يك مسأله جريان (سرعت، فشار، دما و غيره) در گره هاي داخلي هر سلول صورت مي گيرد. دقت مربوط به يك حل CFD از تعداد سلول هاي موجود در شبكه پيروي مي كند، هرچه تعداد سلول ها بيشتر باشد حل مساله دقيق تر انجام مي شود. شبكه هاي مطلوب اغلب غير يكنواخت مي باشد در جايي كه تغييرات از نقطه اي به نقطه ديگر زياد است، ريزتر و در نواحي با تغييرات نسبتاً كم،  درشت تر است.

بيش از %٥٠ زمان استفاده شده در صنعت روي پروژه CFD صرف تعيين هندسه محدوده و توليد شبكه مي­شود در حال حاضر براي به حداكثر رساندن بهره مندي كاربران CFD، اغلب برنامه هاي مهم شامل فصل مشترك با نرم افزار CAD بوده و يا از امكاناتي براي ورود اطلاعات از  سطح سازه هاي تخصصي و توليد كننده­هاي شبكه از جمله GAMBIT برخوردارمي باشند.

حل كننده:

در اين جا سه روش مجزا براي روش هاي عددي وجود دارد اختلاف محدود، عناصر محدود، حجم محدود.

پس پردازنده:

مانند پيش پردازنده اخيراً مقدار زيادي از كار در محيط پس پردازنده صورت مي گيرد. به دليل افزايش تنوع نيازهاي مهندسي، بسياري از  آنها داراي توانايي هاي ترسيمي بالايي هستند.

-نمايش ميدان هندسي و شبكه

-ترسيمات بردار

-ترسيمات خط و سايه (Contour)

-ترسيمات سطح دو بعدي و سه بعدي

-مسير حركت ذره

-نمايش نتايج به صورت رنگي از ديگر قابليت هاي پس پردازنده است.

با تقسيم ناحيه مورد نظر براي تحليل به المان هاي كوچكتر و اعمال شرايط مرزي براي گره هاي مرزي با اعمال تقريب هايي يك دستگاه معادلات خطي بدست  ميآيد كه با حل اين دستگاه معادلات جبري، ميدان سرعت، فشار و دما در ناحيه مورد نظر بدست مي آيد. با استفاده از نتايج بدست آمده از حل معادلات مي توان برآيند نيروهاي وارد بر سطوح، ضرايب برا و پسا و ضريب انتقال حرارت را محاسبه نمود.

در ديناميك محاسباتي سيالات از روش ها و الگوريتم هاي مختلفي جهت رسيدن به جواب بهره مي برند، ولي در تمامي موارد، دامنه مساله را به تعداد زيادي اجزاء كوچك تقسيم مي كنند و براي هر يك از اين اجزاء مساله را حل مي كنند. پس از رسم يك ١٠٠ ضلعي منتظم مشاهده خواهيم نمود كه شكل حاصل مشابه دايره است. با افزايش تعداد اضلاع اين شباهت بيشتر خواهد شد. درحقيقت اين پديده در مبحث CFD نيز مفهوم خواهد داشت.

روش هاي عددي مورد استفاده:

-روش المان هاي محدود

-روش احجام محدود

-روش تفاضلات محدود

ـ روش هاي طيفي.

در ميان اين روش ها، روش احجام محدود داراي كاربرد بيشتري به خصوص در مدل سازي جريان هاي تراكم ناپذير مي باشد. بيشتر نرم افزارهاي تجاري در زمينه ديناميك محاسباتي سيالات نيز بر مبناي اين روش بسط و توسعه يافته اند. اكنون روش ديناميك محاسباتي سيالات جاي خود را در ميان روش هاي آزمايشگاهي و تحليلي براي تحليل مسائل سيالات و انتقال حرارت باز كرده است و استفاده از اين روش ها براي انجام تحليل هاي مهندسي امري عادي شده است.

ديناميك محاسباتي سيالات بصورت گسترده در زمينه هاي مختلف صنعتي مرتبط با سيالات، انتقال حرارت و انتقال مواد به كمك سيال بكار گرفته مي شود. از جمله اين موارد مي توان به صنايع خودروسازي، صنايع هوافضا، توربوماشين ها، صنايع هسته اي، صنايع نظامي، صنايع نفت و گاز و انرژي و بسياري موارد گسترده صنعتي ديگر اشاره نمود كه دانش ديناميك محاسباتي سيالات به عنوان گره گشاي مسائل صنعتي مرتبط تبديل شده است.

نرم افزار فلوئنت :

فرآيند هاي جريان سيال و انتقال حرارت در صنعت معمولاً امري پيچيده محسوب مي شوند. اين به علت طبيعت پيچيده ي سيالات و پارامترهاي بسياري است كه بر آن تاثير مي گذارد. برخي از اين پارامترها عبارتند از تراكم پذيري، آشفتگي، ناپايا بودن، تاثيرات مومنتوم، شناوري و جنبه هاي ديگر سيالات مختلف. طبيعت پيچيده سيالات، باعث پيچيده شدن آناليز يك فرآيند جريان خواهد شد و براي بررسي آن به برخي روش­هاي خاص نياز است. به طور كلي براي بدست آوردن وضعيت سيال در شرايط خاص  ميتوان از بررسي تجربي يا حل تحليلي استفاده كرد، اما اين روش ها بسيار پر هزينه، تقريبي و گاهاً غير ممكن هستند. ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) يكي ديگر از روش هاي حل و مدلسازي مسائل سيالاتي است كه از خصوصيات اين روش مي توان به ارزان، دقيق، سريع و قابل اطمينان بودن اشاره نمود.

در صورت انتخاب هندسه مناسب شرايط مرزي معادلات مناسب و از همه مهمتر شبكه مناسب جهت حل ميتوان به نتايج بسيار خوب و مطمئن در مسائل CFD رسيد. جهت شناخت خطاها و رفع آنها نياز به درك و تفكر درست از مسئله و ديناميك سيالات مي باشد. نتايج يك شبيه سازي شامل همه ي متغيرهاي مرتبط مانند سرعت ، فشار، دما، چگالي  و غيره مي باشد. مزاياي منحصر به فرد استفاده از CFD را مي توان به صورت ذيل خلاصه كرد:

١)كاهش قابل توجه هزينه طرحهاي جديد

٢)توانايي مطالعه سيستم هايي كه انجام آزمايشات كنترل شده بر روي آن دشوار است.

٣)قابليت مطالعه سيستم هاي پر خطر در سطح عملكرد معمول آن ها.

٤)جزئيات نتايج نامحدود و گزينه هاي بيشتر براي بررسي

استفاده از CFD براي حل مسائل صنعتي جريان سيال و انتقال حرارت در دهه ي اخير به طور چشمگيري افزايش يافته است. اين روند به خاطر بهبود روش هاي رياضي، معرفي رابطه هاي با كاربرد آسان و در دسترس بودن سختافزار كامپيوتري با كاركرد بالا و مناسب است. در گذشته استفاده از CFD محدود به سازمان ها و موسساتي بود كه استطاعت تامين هزينه ي فن آوري را داشتند اما امروزه در دسترس بودن كامپيوترهاي قدرتمند، فن آوري CFD را در دسترس هر مهندس و آناليز كننده اي قرار داده است.

اگر بخواهيم تعريف مشخصي از CFD داشته باشيم مي توان گفت CFD دانشي است كه با استفاده بهينه از كامپيوترهاي ديجيتالي موجود، پديده جريان سيال را به صورت كمي شبيه سازي كرده و خواص آن را پيش­بيني ميكند. از جمله مزيت هاي استفاده از CFD در طراحي سيستم هاي سيالاتي نسبت به روش هاي تجربي مي توان به موارد زير اشاره كرد:

-كاهش اساسي در زمان و قيمت طراحي هاي جديد

-توانائي مطالعه سيستم هائي كه انجام آزمايشات كنترل شده روي آن ها مشكل و يا غيرممكن مي باشد.

-توانائي مطالعه سيستم هاي تحت شرايط تصادفي

-بدست آوردن اطلاعات كامل و جزئيات بسيار دقيق از ميدان سيال.

به طور كلي براي شبيه سازي و حل ميدان هاي جريان سه روش وجود دارد:

-روش هاي تجربي (آزمايشگاهي)

-روش هاي تئوري و تحليلي

-روش هاي حل عددي و CFD .

-روش هاي تجربي و آزمايشگاهي بر پايه اندازهگيري هاي عملي و اغلب بر اساس قضيه پي-باكينگهام بنا شده است، يعني با بي بعد سازي معادلات به جاي آزمايش كردن يك مدل حقيقي با اندازه بزرگ و شرايط خاص، يك نمونهي كوچكتر با شرايط مناسب را آزمايش كرده و سپس با استفاده از قضيه پي-باكينگهام، نتايج حاصله را به مدل حقيقي و اصلي نسبت مي دهند.

بدون شك زماني مي توان از نرما فزارهاي تجاري ديناميك سيالات استفاده نمود كه يك شناخت حداقل به معادلات حاكم بر سيالات به عنوان فاز پيوسته و همچنين فازهاي ديگري از قبيل جرم كه به فاز پيوسته اضافه مي شوند داشته باشيم.

معادلات حاكم بر جريان سيالات شامل معادلات زير است:

-معادلات پيوستگي

-معادلات مومنتوم

-معادلات انرژي

معادله اجزاء شيميايي

بسياري از اين معادلات را مي توان با فرض المان حجم براي جريان سيال حل کرد.

در اغلب موارد حل تحليلي اين گونه معادلات جز در موارد خاصي وجود ندارد. در مراحل نخستين پيدايش علم مكانيك و به تبع آن ديناميك سيالات، بررسي ها و آزمايش هاي تجربي، تنها ابزار شناخت رفتار و خواص سيال به شمار ميآمدند در هر حال به علت محدوديت هاي تجهيزاتي مانند اندازه نمونه هاي آزمايشي، اندازه تونل باد و همچنين مشكلات ناشي از عدم تشابه كامل با ميدان جريان واقعي، كسب اطلاعات آزمايشگاهي در بيشتر ميدان هاي جريان دشوار مي باشد.

به طور كلي  روند تحليل و شبيه سازي سيال در مسائل فيزيكي و مهندسي را مي توان به سه مرحله عمده تقسيم كرد.

مرحله اول، دستيابي به يك مدل مناسب براي فيزيك آن پديده مي باشد كه منتهي به يك معادله انتگرالي، ديفرانسيلي(معمولي يا جزيي) يا يك معادله جبري ميگردد. در بيشتر مواقع،

اين مدل رياضي را نمي توان به صورت تحليلي حل كرد و به ناچار بايد براي حل آن از روشهاي عددي استفاده شود.

لازمه حل عددي، تهيه مدل عددي مناسب براي معادلات ديفرانسيلي حاكم بر پديده مي باشد. كه اين امر در مرحله دوم صورت مي گيرد. در واقع مدل عددي تقريبي از يك معادلات ديفرانسيل پيوسته به وسيله معادلات جبري گسسته است. در اين مرحله همانطور كه معادلات حاكم بايد گسسته سازي شوند، ميدان حل نيز بايد به تعداد محدودي نقطه يا المان تفكيك گردد كه در نهايت منجر به توليد شبكه محاسباتي روي ميدان حل شود. انتخاب و طراحي الگوريتم حل مدل نيز در طي اين مرحله و با توجه به محدوديت هاي موجود در مرحله بعد انجام ميگيرد. در مرحله سوم، پياده سازي و اجراي اين مدل عددي بر روي كامپيوتر ميباشد تا حل نهايي به دست آيد. در هر يك از مراحل تقريبهايي به كار مي رود كه خطاي نهايي را افزايش ميدهد.

براي حل معادلات حاكم بر جريان سيال مي بايست مراحل زير طي شود:

-تقريب متغيرهاي مجهول جريان، با استفاده از توابع ساده

-گسسته سازي با استفاده از جايگذاري تقريب ها در معادلات حاكم بر جريان

-حل معادلات جبري

روش هاي حل CFD عبارتند از: روش تفاضل محدود، روش المان محدود، روش حجم محدود و روش طيفي

روش تفاضل محدود :

در اين روش معادلات ديفرانسيل پارهاي در مكانيك سيالات و انتقال حرارت به همان صورت ديفرانسيلي در نظر گرفته ميشود و با استفاده از بسطهاي تيلور اين معادلات را تقريب زده تا تبديل به يك سري معادلات جبري به نام معادلات محدود شوند.

روش المان محدود :

در اين روش معادلات ديفرانسيل جزئي در مكانيك سيالات و انتقال حرارت به صورت انتگرالي نوشته مي شوند و براي تبديل فرم انتگرالي به فرم معادلاتي و جبري از توابع پيوسته چند تكه و صاف (خطي يا درجه دوم) براي تقريب كميت هاي مجهول استفاده مي شود.

روش حجم محدود :

درواقع نوعي از روش المان محدود مي باشد كه روش تقريب اين انتگرال ها با روش المان محدود متفاوت است. اين روش بيشتر براي مسائل مكانيك سيالات و انتقال حرارت مناسب است و نرم افزار فلوئنت نيز بر پايه اين روش برنامه ريزي شده است.

روش طيفي :

روش طيفي مجهولات را با استفاده از سري هاي منقطع فوريه و يا سريهاي چند جمله اي چبيشف تقريب ميزنند. برخلاف روش تفاضل محدود يا المان محدود تقريبها محلي نيستند، اما براي تمام نواحي محاسباتي معتبر ميباشند.

روش حجم محدود  :

اين روش ابتدا به عنوان يك فرمول بندي اختلاف محدود ويژه توسعه و در چهار برنامه اصلي تجاري CFD مورد استفاده قرار گرفت.

الگوريتمهاي عددي شامل مراحل زير ميباشند:

انتگرال كلي از معادلات حاكم بر جريان سيال روي تمام حجم هاي كنترل مربوط به ميدان حل گسسته سازي، شامل جايگذاري نوعي از تقريبهاي اختلاف محدود براي عبارات داخل معادله انتگرالي مي باشد، كه فرآيندهاي جريان مثال جابجايي، نفوذ و غيره را نشان ميدهد. اين عمل معادلات انتگرالي را به يك سيستم معادلات جبري تبديل ميكند.

نرم افزار فلوئنت و ويژگي هاي آن :

نرم افزار Fluent  يكي از نرم افزارهاي صنعتي مشهور مي باشد كه داراي قابليت هاي فراواني است. اين نرم افزار قابليت مدلسازي جريان هاي دو و سه بعدي را داراست. براي استفاده از اين نرم افزار ابتدا توسط يك نرمافزار كمكي مانند Gambit هندسه جريان مشخص مي گردد و عمل مش بندي نيز صورت مي گيرد. Gambit يك مجموعه نرم افزاري طراحي شده براي كمك به محققان و طراحان است، كه براي ساخت مدل ها و مش زدن آنها به منظور كاربردهاي CFD و ديگر كاربردهاي علمي استفاده مي شود. اين نرم افزار ورودي ها را به وسيله ابزاري تحت عنوان ”رابط گرافيكي كاربر” (GUI)از كاربر دريافت مي كند. اين قابليت موجب برداشتن گام هاي اساسي در ساخت، مش زدن، و تعيين نوع محدوده تخصيص يافته به يك مدل ساده، مي شود. به علاوه اين نرم افزار آنقدر امكانات دارد و به اندازه كافي جامع است، كه بتوان از آن براي  طيف گسترده اي از كاربردهاي مدل سازي استفاده كرد.

نرم افزار فلوئنت قابليت انجام محاسبات با دقت معمولي و دقت مضاعف را دارد و به عنوان يك اختيار ،كاربر مي تواند هر كدام را انتخاب نمايد.  اين نرم افزار بر پايه روش حجم محدود كه يك روش بسيار قوي و مناسب در روش هاي ديناميك سيالات محاسباتي مي باشد، بنا شده است. قابليت هاي فراواني نظير مدلسازي جريان هاي دائم و غير دائم، جريان لزج و غير لزج، احتراق، جريان مغشوش، حركت ذرات جامد و قطرات مايع در يك فاز پيوسته و ده ها قابليت ديگر Fluent را تبديل به يك نرم افزار بسيار قوي و مشهور نموده است. آزمايشات عملي و محاسبات تئوري، دو روش اصلي و مشخص براي پيش بيني ميزان  انتقال حرارت و چگونگي جريان سيال در كاربردهاي مختلف صنعتي و تحقيقاتي مي باشند.در اندازه گيري هاي تجربي به دليل هزينه هاي زياد ترجيح داده مي شود كه آزمايش ها بر روي مدلي با مقياس كوچكتر از نسخه اصلي انجام پذيرد. حذف پيچيدگي ها و ساده سازي آزمايش ها، خطاي دستگاه هاي اندازه گيري و بعضي موانع در راه اندازه گيري از جمله مشكلاتي هستند كه روش هاي عملي با آنها روبهرو هستند و كارآيي اين حالتها را در بعضي موارد مورد سوال قرار مي-دهند. مهمترين امتياز محاسبات تئوري در مقايسه با آزمايش هاي تجربي، هزينه كم آن است. گرچه در بسياري موارد ترجيح داده مي شود با استفاده از روش هاي محاسباتي، آناليز جريان و انتقال حرارت صورت گيرد ولي تاييد تحليل هاي عددي نياز به مقايسه با نتايج آزمايشگاهي و يا نتايج تاييد شده ديگري دارد. در ميان محققين، انجام پژوهش هاي تجربي ارزش بسياري دارد و اگر بتوان آزمايش مطلوبي انجام داد، تحليل هاي زيادي را بر محور آنها ميتوان گسترش داد و اطلاعات فراواني بدست آورد. در هر صورت با دسترسي به دستگاه هاي محاسبه گر و رايانه هاي قوي، امروزه در بسياري از موارد آناليز ديناميك سيالات و انتقال حرارت با روش هاي عددي انجام مي پذيرد. هرچه پديده مورد بررسي پيچيدگي بيشتري داشته باشد، روش هاي عددي اهميت بيشتري پيدا مي كنند.

نرم افزار فلوئنت با استفاده از روش CFD قادر است گستره وسيعي از كاربردهاي صنعتي و غيرصنعتي را مدل كند. از ميان اين كاربردها مي توان به موارد زير اشاره كرد:

ايروديناميك(Aerodynamics): ايروديناميك هواپيماها و ماشين ها، هيدروديناميك كشتي ها، جريان در مجاري توربين، طراحي ورودي موتورهاي مافوق صوت

مكانيك (Mechanical): جريان در مجاري، تهويه معادن، تهويه مطبوع، مبدل هاي حرارتي، طراحي ورودي موتور و پمپ هاي سانتريفيوژ

الكترونيك(Electronic): سرمايش قطعات، سرمايش ريزمدارها

شيميايي(Chemical):مخلوط چند گاز، واكنش هاي شيميايي، جريان در بسترهاي بسته محيطي(Environmental): بار ناشي از بادبر ساختمان ها، حركت دود، پراكنده كردن مواد آلوده كننده و فاضلاب، پيش بيني هوا، بررسي خطر آتش

پزشكي (Biomedical): جريان خون در ميان سرخرگ ها و سياهرگ ها

اين نرم افزار مي تواند محيط هاي سيالاتي در وضعيت هاي دائم و غير دائم، جريان لزج (Viscous)و غير لزج يعني آرام (Laminar)  و آشفته(Turbulent) ، احتراق، حركت ذرات جامد و قطرات مايع در يك فاز پيوسته و انتقال حرارت را در حالت هاي دوبعدي و سه بعدي شبيه سازي كند. همچنين اين نرمافزار داراي كتابخانه اي قوي حاوي اطلاعات انواع سيال ها، مدل سازي جريان هاي توربولانت، روش ها و محصولات احتراقي، انواع انتقال حرارت و تقريبا هر پديده سيالاتي است.

فلوئنت براي آناليز و حل مسايل طراحي خاص، روش هاي شبيه سازي كامپيوتري متفاوتي را بكار ميبرد. براي راحتي كار، تعريف مساله، محاسبه و ديدن نتايج، منوهاي مختلفي درنظر گرفته شده است. وقتي نياز باشد، فلوئنت مي تواند مدل مورد نظر را از ديگر برنامه هاي (نرم افزارهاي) توليد مدل كه با آنها سازگاري دارد وارد كند. اين نرم افزار با زبان برنامه نويسي C نوشته شده است و از تمامي توان و قابليت انعطاف اين زبان بهره ميبرد. نتيجتا اين نرم افزار با استفاده از حافظه ديناميك، ساختار مناسب داده ها واطلاعات و كنترل انعطاف پذير، محاسبات را ممكن مي سازد.

علاوه بر سرعت بيشتر محاسبات عددي، مي توان با اين روشها اطلاعات كامل با جزئيات بيشتر، از قبيل تغييرات سرعت، فشار، درجه حرارت و غيره را در سراسر حوزه مورد نظر به دست آورد. در مقابل، اغلب اوقات شبيه سازي آزمايشگاهي جهت بدست آوردن اين گونه اطلاعات مشكل و مستلزم صرف زمان زياد بوده و در بعضي شرايط غير ممكن است. در اكثر مسايل مربوط به  مكانيك سيالات، به دليل پيچيدگي معادلات مربوطه، استفاده از حل تحليلي امكان پذير نمي باشد.

حل معادلات براي نرم افزار فلوئنت: 

فلوئنت براي حل معادلات فيزيكي، از روش حجم محدود استفاده ميكند. در روش حجم محدود، معادلات فيزيكي به فرم انتگرالي هستند. به طور كلي در اين نرم افزار دو شيوه براي حل معادلات وجود دارد :

حل كننده pressure based(بر پايه فشار)

حل كنندهي density based(بر پايه چگالي).

هر دو اين حل كننده ها مي توانند گستره وسيعي از جريان ها را به خوبي پوشش دهند. در هر دو شيوه حل كننده، ميدان جريان از حل معادلات مومنتوم حاصل مي شود.  به طور معمول حل كننده   pressure based در جريان هاي غيرقابل تراكم و نسبتا تراكم پذير به كار مي رود در حاليكه حل كننده density based براي جريان هاي قابل تراكم سرعت بالا، طراحي شده است.

 

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی احتراق هیدروژن – هوا توسط نرم افزار انسیس فلوئنت انجام شده است.

هندسه :

هندسه مسئله در نرم افزار ANSYS SpaceClaim ترسیم شده است.

مش بندی:

شبکه و مش بندی در نرم افزار ANSYS Meshing تولیدشده است.

 

شبیه سازی:

شبیه سازی در نرم افزار فلوئنت انجام شده است.

نمونه نتایج: