بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه با استفاده ازشبیه ساز یCFD، هیدرودینامیک جریان هوا در خطوط انتقال هوا از کمپرسور تا راکتورهای اکسیداسیونA وB واحد CTA پتروشیمی شهیدتندگویان تحلیل شده است. شبیه ساز ی ها به صورت سه بعدی، با استفاده از مدل ها ی اغتشاش k- و S-A در شرایط ناپایاانجام شد . نوع مشبندی انتخاب شده به منظور ا یجاد شبکه محاسباتی در نرم افزار از نوع مش چهار وجه ی1 میباشد. در این شبیه سازی فرض عدم تراکم پذ ریی جریان هوا در مسیر انتقال هوا اعمال شد، که با توجه به مقدار عدد م اخ متوسط جریان قابل قبول می باشد. با توجه به طراحی یکسان دو راکتور A و B، نتایج شبیه ساز ی حاکی از آن است که دبی کل جریان ورود ی به راکتورA بیشتر از دبی کل جریان ورود ی به راکتورB است که علت این مسئله وجود افت فشار اصطکاک بیشتر ناشی از خطوط، تبدیلات و تجه یزات در خط جر یان در مسیر منتهی به راکتور B می باشد، که میتواند بر عملکرد این راکتور تاثیر گذار باشد . از آنجائیکه هوا از طریق چهار اسپارجر متقارن به داخل راکتورها وارد م یشود، نتایج نشان میدهد مقدار دبی جرمی خروجی یکی از اسپارجرهای مربوط به راکتور A کمتر از مقاد یر جریان خروج ی از سایر اسپارجرها ی این راکتور می باشد، که این مسئله به علت آرایش خاص مسیر جریان در ا ین اسپارجر است که منجر به افزا یش افت فشار اصطکاکی و در نتیجه کاهش دبی جرمی جریان در خروج ی این اسپارجر می شود. جهت اطمینان بیشتر از نتایج شبیه ساز ی، شبیه ساز ی جریان گاز توسط نرم افزار Pipe Flow تکرار گردید. نتایج حاصل از شبهیسازی Pipe Flow نیز رفتار مشابه نتا یج شبهیسازی CFD را نشان داد. این مطالعه توانمندی شبیه سازیهای CFD برای تحلیل مقیاسهای بزرگ در صنعت را به خوبی نشان می دهد.
کلمات کلید ی: خطوط انتقال، دینامیک سیالات محاسباتی، هیدرودینامیک جریان، سیال تراکم ناپذیر، مدل های اغتشاش k- و
مقدمه
با افزا یش رو به رشد ن یاز جهانی به انرژ ی، ضرورت بازنگر ی و تجد ید نظر در نحوه طراح ی و ساخت تاسیسات واحد ها ی صنعتی به خصوص در صنا یع نفت،گاز و پتروشیمی، امر ی اجتناب ناپذیر است. سالیانه هزینه ها ی کلانی به دلایل مختلف، از جمله عدم طراحی بهینه، به روز و مطابق با استانداردها ی بین المللی، در عملکرد تجهیزات و تاسیسات واحدها ی مرتبط با صنا یع نفت،گاز و پتروشیمی به هدر می رود. یکی از عمده ترین دلایل این امر، نبود اطلاعات آزما یشگاه ی و شبیه ساز ی نیمه صنعتی - پایلوت - به منظور طراحی صحیح و بهینه م ی باشد، که خود ا ین مسئله نیز ناشی از هزینه ها ی هنگفت مورد نیاز برا ی شبیه ساز ی های معمولا وقت گری و آزمایشگاه ی است. لذا در ا ین شرا یط استفاده از ابزار و تکن یک ها یی چون د ینامیک سیالات محاسباتی - CFD - بسیار مفید،کارا و به صرفه است.[1]
در ا ین کار ه یدرودینامیک خطوط انتقال هوا به راکتورها ی A و B واحد CTA پتروشیمی شهید تندگویان مورد مطالعه قرار گرفته است . هدف از بررسی هیدرودینامیک سیستم، بررسی نحوه توزیع هوا در خطوط انتقال هوا تا اسپارجرها ی هر یک از راکتورها میباشد. در ا ین کار سعی شده است تا با شب هیسازی خطوط، اثر نحوه توز یع هوا در خروجی هر یک از اسپارجرها مورد بررسی قرار گیرد. در ادامه به مدل ساز ی ریاضی سیستم شامل تعیین معادلات حاکم و مدل ها ی اغتشاش پرداخته می شود، سپس روش حل معادلات شامل تعریف هندسه، مش بند ی سیستم و شبیه ساز ی جریان بیان خواهد شد . پس از حل معادلات و شبیه سازی جریان، به بحث و بررسی پیش بینی های خروجی از شبیه سازی می رسیم و در نهایت نتایج حاصل جمع بندی خواهد شد.
معادلات حاکم
در این کار سیال مورد بررسی یک محیط پیوسته تک فازی است که فرض تراکم ناپذ ریی بر آن حاکم است، از طرف د یگرشرایط جریان هوا در خطوط انتقال در منطقه درهم - بالاتر از ناحیه بحرانی - قرار دارد .[2] لذا علاوه بر معادلات بقای حاکم بر این سیستم، معادلات اغتشاش نیز باید حل شود.[3]
معادلات بقاء
برای یک المان سه بعدی معادلات بقاء به صورت زیر نوشته می شود[4]، معادله پیوستگی:
در رابطه فوق چگالی سیال و V بردار سرعت سیال است. برای سیالات تراکم ناپذ یر - چگالی ثابت - معادله به شکل زیر ساده میشود:
معادلات حرکت - بقای اندازه حرکت - - َ - SMx , SMy , SMz P. SM , SM . VV V t
در رابطه فوق - i: x ,y,z - SMiبیانگر ترم های چشمه و چاه مربوط به نیروهایبدنه می باشد.[4]
معادلات اغتشاش
در این شبهیسازی از دو مدل اغتشاش Spalart-Allmaras و مدل k- standardبرای بررسی پدیده آشفتگی در سیستم استفاده شده است.
مدل Spalart-Allmaras این مدل فقط یک معادله دیفرانسیل به معادلات حاکم بر سیستم اضافه می کند که آن هم مربوط به انرژی جنبشی در جریان مغشوش می باشد . این مدل در رینولدزهای پایین که تاثیر لایه مرزی آرام - نواحی نزدیک دیواره - در جریان بیشتر است، استفاده می شود . در واقع در این مدل رفتا ر سیال در نواحی کنار دیواره شبیه سازی شده - با مدل - DNS و نواحی مرکزی جریان و دور از دیواره ها مدل - با مدل - RANS می شود.[5] این مدل در مسائلی که دقت زیاد در محاسبات لازم نیست و امکانات محاسباتی توانایی تعریف مش بسیار ریز را ندارند، بعنوان گزینه اصلی در شبهیسازی مورد استفاده قرار میگیرد.[7]
متغیر معادله انتقال برا ی مدل Spalart-Allmaras که با نماد ~ معرفی میگردد برابر با و یسکوزیته سینماتیک اغتشاش به غیر از ناحیه نزدیک دیواره - ناحیه متاثر از جریان ویسکوز آرام - میباشد.[5] معادله انتقال برای ~ به صورت زیر تعریف میگردد در رابطه فوقui مولفه سرعت سیال در جهت i، چگالی سیال، Gv جمله تولید و یسکوزیته درهم و Yv جمله مصرف ویسکوزیته درهم در ناح یه نزد یک دیواره به علت استهلاک و یسکوز میباشد. همچنین v و b 2 C مقادیر ثابت، ویسکوزیته ملکولی دینامیک و جمله Sv~ جمله تولید قابل تعریف توسط کاربر میباشد.
