شبیه‌سازی پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی ‌با C++ , GAMBIT & FLUENT

شنبه 11 خرداد 1392  10:36 ب.ظ

شبیه‌سازی پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی ‌با  , GAMBIT& C++ FLUENT

ناشر: اندیشه‌سرا

نویسنده: محمد ایرانی

قطع: رحلی

تعداد صفحه: 296

بها: 17000 تومان

شابك: 9786005716689

رده‌بندی دیویی: 0113/541

رده‌بندی كنگره: 9الف 2ش/3/455 QD

مرکز پخش: 66966925


مقدمه

هرچند در اوایل توسعه علم، ریاضی‌دانان به جای پیشگویی به دنبال یافتن روابط حاكم بر عملكرد سیستم‌های موجود بودند اما امروزه با پیشرفت‌های انجام شده، نسبت به دانشمندان علوم تجربی پیش‌قدم هستند. دانشمندان علوم تجربی گرچه با حل ریاضی پدیده‌ها آشنا هستند ولی برای آزمایش‌های خود با مشكلات زیادی مواجه می‌باشند. مهم‌ترین مسأله مربوط به دینامیك سیالات از نظر ریاضی مدت‌ها‌ست حل نشده و آن‌هایی كه حل شده‌اند نیز با مشكلات زمان زیاد برای انجام عملیات ریاضی مواجه هستند. با توسعه رایانه‌ها روز به روز این مشكل آسان و آسان‌تر می‌شود. و اینك پیچیده‌ترین این مسائل كه بحث‌های مهم انتقال حرارت و سیالات می‌باشند از طریق رایانه قابل حل است. امروزه علم دینامیك سیالات محاسباتی به صورت یك ابزار پرقدرت و توانا برای تحلیل رفتار جریان سیال و انتقال حرارت در سیستم‌های با هندسه پیچیده و معادلات حاكم پیچیده برای محققین و مهندسین در آمده است. پیچیدگی معادلات حاكم بر مسأله، تأثیر متقابل پدیده‌های فیزیكی مختلف، گذرا بودن اغلب مسائل مهندسی، بالا بودن هزینه‌های مربوط به تجهیزات آزمایشگاهی و محدودیت استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیری در بسیاری از مسائل علمی، از جمله دلایلی می‌باشد كه استفاده از روش‌های تحلیلی و آزمایشگاهی را در مقایسه با روش‌های عددی محدود می‌كند. جهت مدل‌سازی رآكتور تعیین پارامترهای هیدرودینامیكی آن امری ضروری به نظر می‌رسد‌. هیدرودینامیك این رآكتورها به شدت متأثر از مقیاس عملكرد آن‌ها می‌باشد. به دلیل كاربردهای وسیع این رآكتورها در صنعت‌، تلاش‌های زیادی جهت ارائه یك روش قابل اطمینان برای افزایش مقیاس صورت گرفته است‌. در گذشته محققین جهت دست‌یابی به هیدرودینامیك این رآكتورها به تجارب آزمایشگاهی می‌پرداختند. نتایج حاصل از این آزمایش‌ها لزوماً در مقیاس‌های بزرگ صحت نداشتند و لذا به عنوان قوانین افزایش مقیاس قابل كاربرد نبودند. به طور مثال تأثیرات دیواره‌ای یك رآكتور كوچك بر حركت، تشكیل و شكستن حباب‌ها مشخص است. همچنین واضح است كه این تأثیر در رآكتورهای بزرگ‌تر متفاوت می‌باشد. لكن میزان و چگونگی این تفاوت معلوم نیست و لذا بهترین راه دست‌یابی به هیدرودینامیك قطرهای بزرگ انجام آزمایش در رآكتورهایی با همان قطر است كه البته بسیار هزینه‌بر می‌باشد که به کمک CFD می‌توان رآکتور را در اندازه واقعی شبیه‌سازی کرد و با توجه به نتایج حاصل بهConfiguration  و شرایط مناسب رآکتور رسید.

CFD:

دینامیك سیالات محاسباتی یا CFD عبارت از تحلیل سیستم‌های شامل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده‌های همراه نظیر واكنش‌های شیمیایی، بر اساس شبیه‌سازی كامپیوتری است. CFD روش بسیار توانایی می‌باشد به طوری كه طیف وسیعی از كاربردهای صنعتی و غیر صنعتی را در بر می‌گیرد برخی مثال‌ها عبارتند از:

- نیروگاه: احتراق دستگاه‌های I.C و توربین‌های گاز

- توربو ماشین: جریان‌های داخل گذرگاه‌های دوار، پخش‌كننده و غیره

- مهندسی دریا: بارهای روی ساختمان‌های ساحل

- مهندسی فرآیند شیمیایی: اختلاط، جداسازی، رآکتور، شكل‌گیری پلیمر

CFD به صورت یك 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 كمك كامپیوتر) نظیر برنامه‌های تحلیل تنش می‌باشد. دلیل اصلی این كه چرا CFD به كندی پیشرفت كرده 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 كه هم‌زمان اقتصادی و كامل باشد و نیز وجود سخت‌افزارهای با عملكرد بسیار خوب محاسباتی و واسطه‌های با استفاده ساده منتقل به رشد جالبی شده و CFD موفق شد كه در دهه 1990 در حد گسترده‌تری وارد حوزه ارتباطات صنعتی شود.

قیمت تقریبی مجوز دائمی نرم‌افزارهای تجاری بین 50000-10000 دلار بسته به تعداد اضافی مورد نیاز، متغیر است روشن است كه قیمت سرمایه‌گذاری روی توانایی‌های CFD كم نیست ولی هزینه كل به اندازه یك كار تجربی با كیفیت بالا نمی‌باشد. بعلاوه CFD در طراحی سیستم‌های سیالاتی چند مزیت منحصر به فرد نسبت به روش‌های تجربی دارا می‌باشد.

- كاهش اساسی در زمان و قسمت‌ها طراحی‌های جدید

- توانایی مطالعه سیستم‌هایی كه انجام آزمایشات كنترل شده روی آن‌ها مشكل و یا غیر ممكن می‌باشد (نظیر سیستم‌های بزرگ)

- توانایی مطالعه سیستم‌ها، تحت شرایط تصادفی و بالاتر از حد معمول آن‌ها (نظیر مطالعات مطمئن و موضوعات تصادفی)

قیمت متغیر یك آزمایش از لحاظ كرایه وسائل و یا قیمت ساعت كار افراد با تعداد نقاط داده‌ها و تعداد دفعات آزمایش متناسب است. در مقابل برنامه‌های CFD می‌توانند نتایج زیادی تولید كنند در حالی كه واقعاً مخارج چندانی افزوده نمی‌شود و برای پیش‌بینی پارامترهای موضوعی بسیار ارزان می‌باشد برای مثال می‌توان به بهینه‌سازی تجهیزات فرآیندهای شیمیایی اشاره كرد.

 

یك برنامه CFD چگونه كار می‌كند؟

ساختار برنامه CFD روش عددی است به طوری كه مسائل جریان سیال با استفاده از این روش قابل حل می‌باشند. به منظور فراهم آمدن دسترسی آسان به حل توأم آن‌ها تمام بسته‌های نرم‌افزار تجاری CFD شامل واسطه‌های كاربری پیچیده‌ای جهت ورود پارامترهای مسائل نتایج می‌باشند از این‌ رو تمام برنامه‌ها شامل سه جزء اصلی می‌باشند:

-     پیش‌پردازنده

-     حل‌كننده

-     پس‌پردازنده

پیش‌پردازنده:

عبارت است از ورودی مسأله جریان به یك برنامه CFD با استفاده از یك واسطه عملكرد ساده و سپس تبدیل این ورودی به یك شكل مناسب برای استفاده توسط حل كننده وظایف كاربر در مرحله پیش‌پردازنده عبارتست از:

- تعریف هندسه ناحیه مورد نظر میدان محاسباتی

- تولید شبكه یا تقسیم بخش‌های كوچك به نواحی کوچک‌تر

- انتخاب مجموعه پدیده‌های فیزیكی و شیمیایی كه باید مدل شوند

- تعریف خواص سیال

- تشخیص و تعریف شرایط مرزی لازم در سلول‌هایی كه منطبق و یا در تماس با مرز محدوده می‌باشند.

 حل یك مسأله جریان (سرعت، فشار، دما و غیره) در گره‌های داخلی هر سلول صورت می‌گیرد. دقت مربوط به یك حل CFD از تعداد سلول‌های موجود در شبكه پیروی می‌كند هرچه تعداد سلول‌ها بیشتر باشد حل مساله دقیق‌تر انجام می‌شود. شبکه‌های مطلوب اغلب غیر یک‌نواخت می‌باشد در جایی که تغییرات از نقطه‌ای به نقطه دیگر زیاد است، ریز تر و در نواحی با تغییرات نسبتاً کم درشت‌تر است.

بیش از %50 زمان استفاده شده در صنعت روی پروژه CFD صرف تعیین هندسه محدوده و تولید شبكه می‌شود در حال حاضر برای به حداكثر رساندن بهره‌مندی كاربران CFD، اغلب برنامه‌های مهم شامل فصل مشترك با نرم‌افزار CAD بوده و یا از امكاناتی برای ورود اطلاعات از سطح سازه‌های تخصصی و تولید كننده‌های شبكه از جمله PATRAN و GAMBIT برخوردار می‌باشند.

حل كننده:

در این جا سه روش مجزا برای روش‌های عددی وجود دارد اختلاف محدود، عناصر محدود حجم محدود

اختلاف محدود:

در این روش مجهولات ϕ مسأله جریان را با استفاده از همسایه‌های هر نقطه در نقاط گره مربوط به شبكه خطوط مختصات تعیین می‌كنند. اغلب از بسط‌های تیلور منقطع برای به دست آوردن تقریب‌های اختلاف محدود مشتقات ϕ در عبارات همسایه‌های نقطه ϕ در هر شبكه و در همسایه‌های آن استفاده می‌شود بنابراین مشتقات ظاهر شده در معادلات حاكم توسط اختلاف محدود جایگذاری شده و یك معادله جبری برای مقادیرϕدر هر نقطه از شبكه را می‌دهند.

عناصر محدود:

در روش عناصر محدود از توابع تكه‌ای ساده (خطی یا درجه دوم) كه برای عناصر ارزش داشته باشند به منظور شرح تغییرات محلی متغیرهای مجهول جریان  استفاده می‌شود. معادلات حاكم با استفاده از حل دقیق ϕكاملاً ارضا می‌شوند. اگر توابع تقریب تكه‌ای برای ϕ در معادله جایگذاری شوند معادله دقیقاً ارضا نخواهد شد و یك باقی‌مانده برای اندازه‌گیری خطاها تعریف می‌شود. سپس باقی‌مانده‌ها در برخی جهات توسط ضرب آن‌ها در یك مجموعه‌ای از توابع وزنی و انتگرال‌گیری به حداقل می‌رسند در نتیجه ما یك مجموعه‌ای از معادلات جبری برای ضرایب مجهول توابع تقریب به‌دست می‌آوریم.

حجم محدود:

این روش ابتدا به عنوان یك فرمول‌بندی اختلاف محدود ویژه توسعه یافت. انتگرال‌گیری از حجم كنترل، روش حجم محدود را از سایر روش‌های CFD متمایز می‌نماید. نتیجه اظهارات دقیق، بقاء خواص مربوطه را برای هر سلول به اندازه محدود بیان می‌كند این رابطه روشن بین الگوریتم عددی و قاعده كلی بقاء اصلی فیزیكی، یكی از جاذبه‌های اصلی روش حجم محدود را تشكیل می‌دهد.

پس‌پردازنده:

مانند بیش‌پردازنده اخیراً مقدار زیادی از كار در محیط پس‌پردازنده صورت می‌گیرد به دلیل افزایش تنوع نیازهای مهندسی، بسیاری از آن‌ها دارای توانایی‌های ترسیمی بالایی هستند.

- نمایش میدان هندسی و شبكه

- ترسیمات بردار

- ترسیمات خط و سایه  (Contour)

- ترسیمات سطح دو بعدی و سه بعدی

- مسیر حركت ذره

- نمایش نتایج به صورت رنگی

نرم‌افزار FLUENT اساس روش حل آن حجم محدود (Finite volume) می‌باشد و چون در این تحقیق از نرم‌افزار FLUENT استفاده است لذا به تفسیر روش حجم محدود می‌پردازیم.

فهرست مطالب

مقدمه

 

فصل اول: آموزش قابلیت‌های نرم‌افزار FLUENT وGAMBIT در قالب حل چندین مثال با ذکر جزئیات کامل رسم هندسه، شبکه‌بندی و حل مسأله با استفاده از امکانات پیش‌فرض بدون برنامه‌نویسی

1-1- شبیه‌سازی جریان Compressible درون نازل

1-2- شبیه‌سازی جریان آرام در لوله

1-3- شبیه‌سازی جریان آشفته روی سطح

1-4- شبیه‌سازی جریان فوق صوت روی جسم گوه‌ای شکل

1-5- شبیه‌سازی جریان آشفته در لوله

1-6- شبیه‌سازی جریان آشفته در یک ظرف هم‌زن‌دار

فصل دوم: آشنایی با برنامه‌نویسی در فلوئنت و مراحل حل یك مسأله همراه با برنامه‌نویسی

2-1- کلیات

2-2- تشریح مرحله به مرحله یك مسأله همراه با برنامه‌نویسی برای ورودی سرعت

2-3- شبیه‌سازی هیتر مقاومتی همراه با كدنویسی

2-4-‌ شبیه‌سازی رآکتور بستر سیال همراه با كدنویسی

2-5- شبیه‌سازی تولید کربن نانوتیوب با استفاده از روش CVD همراه با كدنویسی

فصل سوم: لزوم استفاده از CFD در شبیه‌سازی رآکتور‌های شیمیایی

1-3- مقدمه

2-3- مدل‌سازی محاسباتی سیالComputational Flow Modeling (CFM)

فصل چهارم: تشریح برخی از مسائلی که با استفاده با برنامه‌نویسی انجام و منتشر شده

4-1- بررسی اثر انتقال جرم و رفتار غیر ایده‌آلی بر هیدرودینامیك جریان چندفازی در حالت هم‌دما

4-2- بررسی اثر انتقال جرم و رفتار غیر ایده‌آلی سیال بر هیدرودینامیك جریان چندفازی، حالت غیر هم‌دما

4-3- شبیه‌سازی پدیده‌های رآکتور دوغابی فرآیند GTL


نوشته شده توسط: بهزاد پاکروح | آخرین ویرایش:جمعه 4 مرداد 1392 | نظرات() 


شبکه اجتماعی فارسی کلوب | Buy Website Traffic | Buy Targeted Website Traffic