بخشی از مقاله
چکیده:
در کار حاضر با استفاده از نرم افزار ANSYS-Fluent 19 جریان گاز درون ماشین سانتریفیوژ مورد تحلیل قرار گرفته است. شبیه سازی با استفاده از مدل متقارن محوری و با الگوریتم بر پایه چگالی انجام شده است. شبکه محاسباتی با استفاده از المان بندی ساختاریافته و نرم افزار ICEM-CFD تولید گردیده است. هندسه ای که در این کار استفاده شده، هندسه ماشین سانتریفیوژ ایگوچی است دارای طول 48 سانتیمتر و شعاع 6 سانتیمتر است. گاز عامل نیز هگزافلوراید اورانیم انتخاب گردیده است. توزیع سرعت، فشار، دما و چگالی در کل ناحیه حل استخراج گردیده است.
کلید واژهها: ماشین سانتریفیوژ، جریان گاز، CFD
-1 مقدمه :
امروزه به طور گسترده از میدانهای با نیروی گریز از مرکز قوی برای غنیسازی اورانیوم در مقیاس صنعتی استفاده میشود. یک جفت اسکوپ در دو سر روتور کار خروج گازهای غنی شده و تهی شده را انجام میدهند که علاوه بر این کار، وظیفهی ایجاد جریان چرخشی در راستای محور را نیز به عهده دارند. کای در 1976 به حل معادله ناویر-استوکس پرداخت. او با روش اختلاف محدود معادلات را بر روی شبکهی جابجا شدهای برای متغیرهای اسکالر - چگالی و دما - و همچنین سرعتها گسسته سازی نمود .[1] در 1989 ماکیهارا1و ایتو 2یک تحلیل عددی برای بیان قدرت جداسازی سانتریفیوژهای گازی برای ایزوتوپهای 235 و 238 اورانیوم در حضور گاز سبک ارائه کردند.
هدف آنها بررسی میزان کاهش قدرت جداسازی ایزوتوپها در حضور گازهایی مانند نیتروژن بود که به دلیل فشار پایین درون روتور از محیط اطراف به درون آن نفوذمیکنند. حل بر پایه معادلهای ساده شده انجام شد که از معادلهی کلی ا ستفان-ماک سول3م شتق شده و برای برر سی نفوذ ف شاری درون ا ستوانه چرخان با سرعت بالا تو سط کای ا ستفاده شده بود. محا سبات آنها ن شان داد که با افزایش نفوذ گاز سبک به درون روتور، قدرت جداسازی سانتریفیوژ به طور قابل ملاحظهای کاهش مییابد. پاسکال امنس [2] دو مدل مختلف استفاده کرد. در مدل اول او تاثیر اسکوپ را از طریق شرایط مرزی که برای جریان ورودی به کاسه سانتریفیوژ قرار دارد.
در مدل دوم اثر اسکوپ با استفاده از قرار دادن چاه - سینک - جرم و همینطور نیروی درگ دیده شده است. او ماشین ایگوچی را برای مدل کردن انتخاب کرد. امنس به این نتیجه ر سید که دو مدل حتی با شبکهی در شت نتایج منا سبی برای توزیع غلظت و بنابراین بازده سانتریفیوژ ارائه میدهند. اما در رابطه با سایر پارامترها به خصوص در محفظهی اسکوپ که در مدل دوم در نظر گرفته میشود همگرایی نتایج به کندی صورت میپذیرد. همچنین برای محاسبه پارامترهایی مانند جریان برگشتی، نیروی درگ و حرارت تولید شده علاوه بر شبکه بهتر، به استفاده از حلگر غیر خطی نیز نیاز است. قابل ذکر است که برای دو مدل از دو حلگر خطی و غیر خطی استفاده شده است که همواره از حلگر غیرخطی نتایج دقیقتری به دست آمده است.
برمن4و همکاران[3] یک کد CFD را برای حل سانتریفیوژ به صورت سه بعدی توسعه دادند. نتایج آنها نشان دهندهی تفاوت زیاد نتایج برای سرعتها و همچنین حجم گاز درون روتور با نتایج دوبعدی بود. نتایج آنها نشان میداد که از روزنههای بفل پسماند دو جریان با جهت مخالف به سمت محفظه پسماند و همچنین قسمت مرکزی روتور وجود دارد که در شبیه سازیهای دو بعدی قابل م شاهده نبود و فقط جریان از سمت محفظه پ سماند به ق سمت مرکزی را نشان میداد. همین اتفاق برای بفل محصول نیز میافتد.در این مقاله عملکرد جریان درون ماشین سانتریفیوژ به منظور شناخت کامل کلیه عوامل تاثیرگذار انجام شده است.
-2 تئوری
1 - 2 معادلات جریان و جرم در حالت تقارن محوری و شرط پایا
2-1-1 معادله پیوستگی
معادله پیوستگی برای سیال تراکم پذیر با فرض تقارن محوری به صورت زیر است:
2-1-2 معادله بقاء مومنتم
معادلات حرکت در راستای شعاع، راستای محور و راستای زاویه به ترتیب به صورت زیر است.
2-1-3 معادله بقاء انرژی
معادله انرژی نیز به صورت زیر نوشته میشود.
که در آن اتلاف ویسکوز میباشد و به صورت زیر تعریف میشود:
2-2 الگوریتمهای حل معادلات
حلگرها به طور کلی به دو دسته تقسیم میشوند؛ حلگرهای بر پایه فشار و حلگرهای بر پایه چگالی. تفاوت عمده این دو روش در ترتیب محاسبه فشار و چگالی است. در روش فشار پایه، توزیع فشار از حل معادله پیوستگی به دست آمده و بعد از آن چگالی با استفاده از معادله حالت به دست میآید. در روش چگالی پایه، چگالی مستقیما از حل معادله پیوستگی به دست آمده و پس از آن فشار از معادله حالت محاسبه میشود. از نظر تاریخی روشهای بر پایه فشار برای جریانهای سرعت پایین تراکم ناپذیر و روشهای چگالی پایه برای جریانهای سرعت بالای تراکمپذیر توسعه یافتهاند.
2-2-1 روش بر پایه چگالی
روش چگالی پایه، کلیه معادلات مومنتم، پیوستگی، انرژی و انتقال اجزاء را به صورت همزمان حل میکند. سایر معادلات نظیر تشعشع و ... در مرحله بعد و به صورت ترتیبی حل خواهند شد. این الگوریتم با استفاده از روش تکرار، معادلات را حل میکند. مراحل حل در هر تکرار به قرار زیر است:
.1 به روز رسانی خواص سیال با استفاده از جواب به دست آمده در تکرار قبلی یا شرایط اولیه در تکرار اول؛
