بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله واحد خروجی یک پالایشگاه گاز که دارای مشکل لرزش در خط لوله در هنگام عبور جریان گازی می باشد با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی مورد بررسی قرار گرفته است. در واحد فوق جریان خروجی بوسیله دو شیر کنترل فشار تنظیم می شود و هرچه اختلاف فشار ورودی و خروجی شیر افزایش پیدا می کند، میزان لرزش نیز افزایش می یابد.
معادله حاکم بر سیستم انتقال مومنتوم می باشد. این معادله برای سیستم مورد نظر تعیین می شود و سپس با استفاده از نرم افزار CFX حل می شود. پس از بررسی عاملی که باعث به وجود آمدن این لرزشها می شود، بدون تغییر در شرایط خطوط گازی و با توجه به مسیرهای کنارگذر بهترین حالت برای رفع مشکل مورد بررسی قرار داده می شود. سپس قرار دادن اورفیس بر روی مسیرهای کنارگذر و تاثیر آن بر روی رفع مشکل مورد ارزیابی قرار گرفت.
در نهایت قرار دادن یک شیر کنترل فشار در مسیر کنارگذر و تاثیر آن بر رفع مشکل حاصله مورد ارزیابی قرار می گیرد. با توجه به محاسبات انجام شده و شبیه سازی های صورت گرفته و بررسی حالتهای مختلف، قرار دادن یک شیرکنترل فشار 18 اینج در مسیر کنارگذر باعث به حداقل رساندن این مشکل کاهش لرزشهای واحد در اثر عبور جریان گاز از خط لوله می شود.
.1 مقدمه
دینامیک سیالات محاسباتی یکی از بزرگترین زمینههای است که مکانیک قدیم را به علوم رایانه و توانمندیهای نوین محاسباتی آن در نیمه دوّم قرن بیستم و در سده جدید میلادی وصل میکند.
دینامیک سیالات محاسباتی عبارت از تحلیل سیستمهای شامل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده های همراه، نظیر واکنشهای شیمیایی، بر اساس شبیه سازی کامپیوتری.
CFD روش بسیار توانایی می باشد، به طوری که طیف وسیعی از کاربرد های صنعتی و غیر صنعتی را در بر می گیرد. اکنون روش دینامیک سیالات محاسباتی جای خود را در میان روشهای آزمایشگاهی و تحلیلی برای تحلیل مسائل سیاﻻت و انتقال حرارت باز کردهاست و استفاده از این روشها برای انجام تحلیلهای مهندسی امری عادی شده است.
دینامیک سیالات محاسباتی بصورت گسترده در زمینههای مختلف صنعتی مرتبط با سیالات، انتقال حرارت و انتقال مواد به کمک سیال بکار گرفته میشود. از جمله این موارد میتوان به صنایع خودروسازی، صنایع هوافضا، توربوماشینها، صنایع هستهای، صنایع نظامی، صنایع نفت و گاز و انرژی و بسیاری موارد گسترده صنعتی دیگر اشاره نمود که دانش دینامیک سیالات محاسباتی به عنوان گره گشای مسائل صنعتی مرتبط تبدیل شده است.
سرگذشت پیدایش و گسترش دینامیک سیّالات محاسباتی را نمیتوان جدای از تاریخ اختراع، رواج، و تکامل کامپیوترهای ارقامی نقل کرد. تا حدود انتهایجنگ جهانی دوٌم، بیشتر شیوههای مربوط به حلّ مسائل دینامیک سیالات از طبیعتی تحلیلی یا تجربی برخوردار بود.[5] همچون تمامی نوآوریهای برجسته علمی، در این مورد هم اشاره به زمان دقیق آغاز دینامیک سیّالات محاسباتی نامیسر است.
در اغلب موارد، نخستین کار با اهمیت در این رشته را به ریچاردسون نسبت میدهند، که در سال 1910 - میﻻدی - محاسبات مربوط به نحوه پخش تنش در یک سد ساختهشده از مصالح بنّایی را به انجام رسانید. در این کار ریچاردسون از روشی تازه موسوم به رهاسازیبرای حلّ معادله لاپلاس استفاده نمود. او در این شیوه حلّ عددی، دادههای فراهمآمده از مرحله پیشین تکرار را برای تازهسازی تمامی مقادیر مجهول در گام جدید به کار میگرفت.
page12CFD در طراحی سیستم های سیالاتی چند مزیت منحصر به فرد نسبت به روشهای تجربی دارد:[7]
1. کاهش اساسی در زمان و قیمت طراحی های جدید
2. توانایی مطالعه سیستمهایی که انجام آزمایشات روی آنها مشکل و یا غیر ممکن می باشد - نظیر سیستمهای خیلی بزرگ -
3. توانایی مطالعه سیستمها تحت شرایط تصادفی و بالاتر از حدود معمول آنها
4. سطح جزئیات نتایج بسیار زیاد می باشد.
ساختار برنامه های CFD روش عددی است، الگوریتمهای عددی شامل مراحل زیر می باشند:[9]
-1 انتگرال گیری از معادلات حاکم بر جریان سیال روی تمام حجمهای کنترل مربوط به میدان حل،
-2 گسسته سازی؛ شامل جایگذاری نوعی از تقریبهای اختلاف محدود برای عبارتهای داخل معادله انتگرالی می باشد، که فرآیندهای جریان مثل جابجایی، نفوذ و منابع تولید یا مصرف کمیت های مختلف را نشان می دهد. این عمل معادلات انتگرالی را به یک سیستم معادلات جبری تبدیل می کند.
-3 حل معادلات جبری با استفاده از یک روش تکرار.
مراحل کاری روش شبیه سازی CFD به صورت زیر می باشد:
-1 تعریف هندسه
-2 تولید شبکه بندی
.3 حل کننده
روشهای عددی مورد استفاده در دینامیک سیالات محاسباتی عبارتند از:
-1 روش اجزاء محدود -2 روش حجم محدود -3 روش تفاضل محدود -4 روشهای طیفی
در میان این روشها روش حجم محدود دارای کاربرد بیشتری به خصوص در مدل سازی جریانهای تراکم ناپذیر دارد و بیشتر نرمافزارهای تجاری در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی نیز بر مبنای این روش بسط و توسعه یافته اند. دیدگاه حجم محدود بقاء محلی هر خاصیت از سیال را برای هر حجم کنترل تضمین می کند
در واحد خروجی یکی از پالایشگاه های گاز بعلت عدم طراحی مناسب در شیرهای کنترل فشار در زمان عبور جریان لرزش های بسیار زیادی ایجاد می گردد، هدف این است که با استفاده از شبیه سازی بوسیله نرم افزار ANSYS CFX اقدام به بررسی مشکل فوق و در صورت امکان پیشنهاد بهترین حالت ممکن را نمود. بدین صورت ابتدا شرایط فعلی واحد مورد نظر شبیه سازی شده و با توجه به جریان های عبوری از شیرها، عاملی که باعث به وجود آمدن این لرزش ها می شود، مورد شناسایی قرار گیرد.
سپس بدون تغییر در شرایط خطوط گازی و با توجه به وجود مسیرهای کنارگذر بتوان بهترین حالت را برای رفع مشکل مورد بررسی قرار داد مثلا با استفاده از R.O بر روی مسیرهای کنارگذر بتوان این مشکل را به حداقل رساند و در نهایت این مورد بررسی شود که آیا قرار دادن یک شیر کنترل فشار در مسیرهای کنارگذر به کاهش لرزش و شرایط بهینه کمک می کند یا خیر اگر جواب مثبت است، سایز شیر کنترل فشار فوق می بایست مورد ارزیابی قرار گیرد.
.2 تئوری شبیه سازی
در گام اول، یک مدل ریاضی برای شبیه سازی سیستم مورد نظر توسعه داده شده است. این مدل باید پدیده انتقال مومنتوم حاکم بر فرآیند را در نظر بگیرد. فرضیات مورد استفاده عبارت اند از:
1. جریان به صورت پایدار می باشد
2. رژیم جریان متلاطم می باشد
3. دمای سیستم ثابت می باشد
4. هیچ گونه واکنشی در فرآیند وجود ندارد
در این فرآیند از واحد خروجی یکی از پالایشگاه های گاز استفاده شده است.
همان گونه که در شکل 1 نشان داده شده است، به علت عدم طراحی مناسب در هنگام عبور جریان از این خط لوله لرزشهای شدیدی در شیرهای کنترل فشار ایجاد می شود.
خروجی گاز یکی از واحدها ی پالایشی بصورتی است که یک خط 28" تبدیل به دو خط 12" همراه با شیر کنترلی و دو خط 28" کنار گذر می شود. بعلت عدم طراحی مناسب در زمان عبور جریان تکان های شدیدی همراه با صدای زیاد گزارش شده است. این نقیصه با افزایش اختلاف فشار در دو سمت شیرهای کنترلی افزایش پیدا می کند. هدف این است که بتوان اثرات این نقیصه را با کمترین اعمال تغییرات در ساختار خطوط 3,3,1* کاهش داد. برای بررسی و شبیه سازی اثرات از نرم افزار CFX استفاده شده است.
شرایط مسئله بگونه ای است که گاز با فشار 90 بار ودبی 39000000 متر مکعب بر روز و چگالی برابر 0,7 کیلوگرم بر مترمکعب از شیرهای کنترلی عبور می کند.
.3 معادلات حاکم بر سیستم
همانگونه که در شکل 1 این دیده می شود، جریان وارد لوله می شود و تنها معادله حاکم بر سیستم معادله انتقال مومنتوم می باشد بنابراین معادله انتقال مومنتوم باید برای این سیستم ایجاد شود و سپس با استفاده از CFD حل شود. معادله انتقال مومنتوم درون لوله باید به صورت عددی حل شود تا پروفایل سرعت به دست آید.
