شبيه‌سازي پديده‌هاي فيزيکي و شيميايي باFLUENT – GAMBIT - Programming C++
شبيه‌سازي پديده‌هاي فيزيکي و شيميايي باFLUENT – GAMBIT - Programming C++ با هدف طراحي تجهيزات فرآيندي برای مهندسان شيمي و مکانيک
نوشته ي :دکتر محمد ایرانی- دکتر علی نخعی‌پور-مهندس شهره تهرانی
ناشر: انتشارات اندیشه‌سرا (با ﻣﺴﺅوليت بهزاد پاكروح)
مقدمه
هرچند در اوايل توسعه علم، رياضي‌دانان به جاي پيشگويي به دنبال يافتن روابط حاكم بر عملكرد سيستم‌هاي موجود بودند اما امروزه با پيشرفت‌هاي انجام شده، نسبت به دانشمندان علوم تجربي پيش‌قدم هستند. دانشمندان علوم تجربي گرچه با حل رياضي پديده‌ها آشنا هستند ولي براي آزمايش‌هاي خود با مشكلات زيادي مواجه مي‌باشند. مهم‌ترین مسأله مربوط به ديناميك سيالات از نظر رياضي مدت‌ها‌ست حل نشده و آن‌هایی كه حل شده‌اند نيز با مشكلات زمان زياد براي انجام عمليات رياضي مواجه هستند. با توسعه رايانه‌ها روز به روز اين مشكل آسان و آسان‌تر مي‌شود. و اينك پيچيده‌ترين اين مسائل كه بحث‌هاي مهم انتقال حرارت و سيالات مي‌باشند از طريق رايانه قابل حل است. امروزه علم ديناميك سيالات محاسباتي به صورت يك ابزار پرقدرت و توانا براي تحليل رفتار جريان سيال و انتقال حرارت در سيستم‌هاي با هندسه پيچيده و معادلات حاكم پيچيده براي محققين و مهندسين در آمده است. پيچيدگي معادلات حاكم بر مسأله، تأثير متقابل پديده‌هاي فيزيكي مختلف، گذرا بودن اغلب مسائل مهندسي، بالا بودن هزينه‌هاي مربوط به تجهيزات آزمايشگاهي و محدوديت استفاده از دستگاه‌هاي اندازه‌گيري در بسياري از مسائل علمي، از جمله دلايلي می‌باشد كه استفاده از روش‌هاي تحليلي و آزمايشگاهي را در مقايسه با روش‌هاي عددي محدود مي‌كند. جهت مدل‌سازي رآكتور تعيين پارامترهاي هيدروديناميكي آن امري ضروري به نظر مي‌رسد. هيدروديناميك اين رآكتورها به شدت متأثر از مقیاس عملكرد آن‌ها مي‌باشد. به دليل كاربردهاي وسيع اين رآكتورها در صنعت، تلاش‌هاي زيادي جهت ارائه يك روش قابل اطمينان براي افزايش مقياس صورت گرفته است. در گذشته محققين جهت دست‌یابی به هيدروديناميك اين رآكتورها به تجارب آزمايشگاهي مي‌پرداختند. نتايج حاصل از اين آزمايش‌ها لزوماً در مقياس‌هاي بزرگ صحت نداشتند و لذا به عنوان قوانين افزايش مقياس قابل كاربرد نبودند. به طور مثال تأثيرات ديواره‌اي يك رآكتور كوچك بر حركت، تشكيل و شكستن حباب‌ها مشخص است. همچنين واضح است كه اين تأثير در رآكتورهاي بزرگ‌تر متفاوت مي‌باشد. لكن ميزان و چگونگي اين تفاوت معلوم نيست و لذا بهترين راه دست‌یابی به هيدروديناميك قطرهاي بزرگ انجام آزمايش در رآكتورهايي با همان قطر است كه البته بسيار هزينه‌بر می‌باشد که به کمک CFD مي‌توان رآکتور را در اندازه واقعي شبيه‌سازي کرد و با توجه به نتايج حاصل بهConfiguration و شرايط مناسب رآکتور رسيد.
CFD:
ديناميك سيالات محاسباتي يا CFD عبارت از تحليل سيستم‌هاي شامل جريان سيال، انتقال حرارت و پديده‌هاي همراه نظير واكنش‌هاي شيميايي، بر اساس شبيه‌سازي كامپيوتري است. CFD روش بسيار توانايي مي‌باشد به طوري كه طيف وسيعي از كاربردهاي صنعتي و غير صنعتي را در بر مي‌گيرد برخي مثال‌ها عبارتند از:
- نيروگاه: احتراق دستگاه‌هاي I.C و توربين‌هاي گاز
- توربو ماشين: جريان‌هاي داخل گذرگاه‌هاي دوار، پخش‌كننده و غيره
- مهندسي دريا: بارهاي روي ساختمان‌هاي ساحل
- مهندسي فرآيند شيميايي: اختلاط، جداسازي، رآکتور، شكل‌گيري 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 CAE (مهندسي به كمك كامپيوتر) نظير برنامه‌هاي تحليل تنش مي‌باشد. 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 هم‌زمان اقتصادي و كامل باشد و نيز وجود سخت‌افزارهاي با عملكرد بسيار خوب محاسباتي و واسطه‌هاي با استفاده ساده منتقل به رشد جالبي شده و CFD موفق شد كه در دهه 1990 در حد گسترده‌تري وارد حوزه ارتباطات صنعتي شود.
قيمت تقريبي مجوز دائمي نرم‌افزارهاي تجاري بين 50000-10000 دلار بسته به تعداد اضافي مورد نياز، متغير است روشن است كه قيمت سرمايه‌گذاري روي توانايي‌هاي CFD كم نيست ولي هزينه كل به اندازه يك كار تجربي با كيفيت بالا نمي‌باشد. بعلاوه CFD در طراحي سيستم‌هاي سيالاتي چند مزيت منحصر به فرد نسبت به روش‌هاي تجربي دارا مي‌باشد.
- كاهش اساسي در زمان و قسمت‌ها طراحي‌هاي جديد
- توانايي مطالعه سيستم‌هايي كه انجام آزمايشات كنترل شده روي آن‌ها مشكل و يا غير ممكن مي‌باشد (نظير سيستم‌هاي بزرگ)
- توانايي مطالعه سيستم‌ها، تحت شرايط تصادفي و بالاتر از حد معمول آن‌ها (نظير مطالعات مطمئن و موضوعات تصادفي)
قيمت متغير يك آزمايش از لحاظ كرايه وسائل و يا قيمت ساعت كار افراد با تعداد نقاط داده‌ها و تعداد دفعات آزمايش متناسب است. در مقابل برنامه‌هاي CFD مي‌توانند نتايج زيادي توليد كنند در حالي كه واقعاً مخارج چنداني افزوده نمي‌شود و براي پيش‌بيني پارامترهاي موضوعي بسيار ارزان مي‌باشد براي مثال مي‌توان به بهينه‌سازي تجهیزات فرآیندهای شیمیایی اشاره كرد.
يك برنامه CFD چگونه كار مي‌كند؟
ساختار برنامه CFD روش عددي است به طوري كه مسائل جريان سيال با استفاده از اين روش قابل حل مي‌باشند. به منظور فراهم آمدن دسترسي آسان به حل توأم آن‌ها تمام بسته‌هاي نرم‌افزار تجاري CFD شامل واسطه‌هاي كاربري پيچيده‌اي جهت ورود پارامترهاي مسائل نتايج مي‌باشند از این رو تمام برنامه‌ها شامل سه جزء اصلي مي‌باشند:
- پيش‌پردازنده
- حل‌كننده
- پس‌پردازنده
پيش‌پردازنده:
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 پيش‌پردازنده عبارتست از:
- تعريف هندسه ناحيه مورد نظر ميدان محاسباتي
- توليد شبكه يا تقسيم بخش‌هاي كوچك به نواحي کوچک‌تر
- انتخاب مجموعه پديده‌هاي فيزيكي و شيميايي كه بايد مدل شوند
- تعريف خواص سيال
- تشخيص و تعريف شرايط مرزي لازم در سلول‌هايي كه منطبق و يا در تماس با مرز محدوده مي‌باشند.
حل يك مسأله جريان (سرعت، فشار، دما و غيره) در گره‌هاي داخلي هر سلول صورت مي‌گيرد. دقت مربوط به يك حل CFD از تعداد سلول‌هاي موجود در شبكه پيروي مي‌كند 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.
بيش از %50 زمان استفاده شده در صنعت روي پروژه CFD صرف تعيين هندسه محدوده و توليد شبكه مي‌شود در حال حاضر برای به حداكثر رساندن بهره‌مندي كاربران CFD، اغلب برنامه‌هاي مهم شامل فصل مشترك با نرم‌افزار CAD بوده و يا از امكاناتي براي ورود اطلاعات از سطح سازه‌هاي تخصصي و توليد كننده‌هاي شبكه از جمله PATRAN و GAMBIT برخوردار مي‌باشند.
حل كننده:
در اين جا سه روش مجزا براي روش‌هاي عددي وجود دارد اختلاف محدود، عناصر محدود حجم محدود
اختلاف محدود:
در اين روش مجهولات ϕ مسأله جريان را با استفاده از همسايه‌هاي هر نقطه در نقاط گره مربوط به شبكه خطوط مختصات تعيين مي‌كنند. اغلب از بسط‌هاي تيلور منقطع براي به دست آوردن تقريب‌هاي اختلاف محدود مشتقات ϕ در عبارات همسايه‌هاي نقطه ϕ در هر شبكه و در همسايه‌هاي آن استفاده مي‌شود بنابراين مشتقات ظاهر شده در معادلات حاكم توسط اختلاف محدود جايگذاري شده و يك معادله جبري براي مقاديرϕ در هر نقطه از شبكه را مي‌دهند.
عناصر محدود:
در روش عناصر محدود از توابع تكه‌اي ساده (خطي يا درجه دوم) كه براي عناصر ارزش داشته باشند به منظور شرح تغييرات محلي متغيرهاي مجهول جريان ϕ استفاده مي‌شود. معادلات حاكم با استفاده از حل دقيق ϕ كاملاً ارضا مي‌شوند. اگر توابع تقريب تكه‌اي براي ϕ در معادله جايگذاري شوند معادله دقيقاً ارضا نخواهد شد و يك باقی‌مانده براي اندازه‌گيري خطاها تعريف مي‌شود. سپس باقی‌مانده‌ها در برخي جهات توسط ضرب آن‌ها در يك مجموعه‌اي از توابع وزني و انتگرال‌گيري به حداقل مي‌رسند در نتيجه ما يك مجموعه‌اي از معادلات جبري براي ضرایب مجهول توابع تقريب به‌دست مي‌آوريم.
حجم محدود:
اين روش ابتدا به عنوان يك فرمول‌بندي اختلاف محدود ويژه توسعه يافت. انتگرال‌گيري از حجم كنترل، روش حجم محدود را از ساير روش‌هاي CFD متمايز مي‌نمايد. نتيجه اظهارات دقيق، بقاء خواص مربوطه را براي هر سلول به اندازه محدود بيان مي‌كند اين رابطه روشن بين الگوريتم عددي و قاعده كلي بقاء اصلي فيزيكي، يكي از جاذبه‌هاي اصلي روش حجم محدود را تشكيل مي‌دهد.
پس‌پردازنده:
مانند بيش‌پردازنده اخيراً مقدار زيادي از كار در محيط پس‌پردازنده صورت مي‌گيرد به دليل افزايش تنوع نيازهاي مهندسي، بسياري از آن‌ها داراي توانایي‌هاي 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
نرم‌افزار FLUENT اساس روش حل آن حجم محدود (Finite volume) مي‌باشد و چون در اين تحقيق از نرم‌افزار FLUENT استفاده است لذا به تفسير روش حجم محدود مي‌پردازيم.
پيشگفتار
امروزه استفاده از کامپيوتر به عنوان جزئي جدا نشدني از علوم مهندسي مطرح مي‌باشد. مدل‌سازي و شبيه‌سازي با هدف طراحي و ارزيابي رآکتورها و تجهيزات فرآيندي مورد استفاده در صنايع، بدون استفاده از کامپيوتر امري وقت‌گير بوده و در مواردي با توجه به وجود پديده‌هاي گوناگون در سيستم (رآکتورهاي چندفازي) غير ممکن است. از این رو کاربردهاي نرم‌افزارهاي CFD در زمينهی صنايع نفت، گاز، پتروشيمي، دارويي و صنايع معدني بيش از گذشته اهميت يافته است. با توجه به گستردگي نرم‌افزارهاي موجود صرف وقت و هزينه براي يادگيري تمامي آن‌ها مقرون به صرفه نبوده و امکان آن براي همه افراد موجود نمي‌باشد. از این رو بر آن شديم تا در کتاب حاضر نرم‌افزار FLUENT را که به دليل گستردگي قابليت‌ها، بخش عمده‌ی نيازهاي مهندسين شيمي و مکانيک را در اين زمينه برآورده مي‌سازد، معرفي کنيم. همچنين در مجموعه حاضر برنامه‌نويسي در اين نرم‌افزار آموزش داده مي‌شود تا در صورتي که نرم‌افزار در انجام بعضي مسائل ضعف داشته باشد، از طريق کدنويسي و الصاق آن به نرم‌افزار بتوانيم ضعف نرم‌افزار را جبران کنيم. در صورتي که اين نرم‌افزار توانايي شبيه‌سازي جريان در تجهيزات را در حالت‌های پويا و ايستا دارا مي‌باشد.
مجموعه‌ی حاضر حاصل سال‌ها فعاليت در زمينهیCFD و تجربه عملي مدل‌سازي‌هاي متعدد مي‌باشد. در اين کتاب سعي شده تا با مثال‌هاي عملي متعدد کار با نرم‌افزار به طور کامل آموزش داده شود. همراه کتاب يک CD حاوي نسخه 6.3.16 نرم‌افزار FLUENT و فايل‌هاي مورد نياز در ارتباط با مثال‌هاي حل شده ارائه مي‌گردد.
فهرست مطالب
مقدمه
فصل اول: آموزش قابليت‌هاي نرم‌افزار FLUENT وGAMBIT در قالب حل چندين مثال با ذکر جزئیات کامل رسم هندسه، شبکه‌بندي و حل مسأله با استفاده از امکانات پيش‌فرض بدون برنامه‌نويسي
1-1- شبيه‌سازي جريان Compressible درون نازل
1-2- شبيه‌سازي جريان آرام در لوله
1-3- شبيه‌سازي جريان آشفته روي سطح
1-4- شبيه‌سازي جريان فوق صوت روي جسم گوه‌اي شکل
1-5- شبيه‌سازي جريان آشفته در لوله
1-6- شبيه‌سازي جريان آشفته در يک ظرف هم‌زن‌دار
فصل دوم: آشنايي با برنامه‌نويسي در فلوئنت و مراحل حل يك مسأله همراه با برنامه‌نويسي
2-1- کلیات
2-2- تشريح مرحله به مرحله يك مسأله همراه با برنامه‌نویسی برای ورودی سرعت
2-3- شبيه‌سازي هيتر مقاومتي همراه با كدنويسي
2-4- شبيه‌سازي رآکتور بستر سيال همراه با كدنويسي
2-5- شبيه‌سازي توليد کربن نانوتيوب با استفاده از روش CVD همراه با كدنويسي
فصل سوم: لزوم استفاده از CFD در شبيه‌سازي رآکتورهاي شيميايي
1-3- مقدمه
2-3- مدل‌سازي محاسباتي سيالComputational Flow Modeling (CFM)
فصل چهارم: تشریح برخی از مسائلی که با استفاده با برنامه‌نویسی انجام و منتشر شده
4-1- بررسي اثر انتقال جرم و رفتار غير ايده‌آلي بر هيدروديناميك جريان چندفازي در حالت هم‌دما
4-2- بررسي اثر انتقال جرم و رفتار غير ايده‌آلي سيال بر هيدروديناميك جريان چندفازي، حالت غير هم‌دما
4-3- شبيه‌سازي پديده‌هاي رآکتور دوغابي فرآيند GTL
منابع