بخشی از مقاله
چکیده
اجکتورها در صنعت کاربرد بسیار زیادی دارند و در نیروگاههای بخار، پالایشگاههای نفتی و تولید مواد شیمیایی به کار میروند. یکی از موارد مهم در این وسیلهها حساسیت میزان عملکرد آنها نسبت به هندسهی آن است. در این مقاله در ابتدا به شبیهسازی عددی هندسهی اجکتور پرداخته میشود که برای 71 هندسهی مختلف این شبیهسازی انجام میشود و هربار میزان دبی گاز مکش شده محاسبه میگردد. پارامترهای هندسی مورد نظر از قبیل نسبت طرح - فاصله بین نازل اولیه و گلوگاه به قطر گلوگاه - ، نسبت سطح گلوگاه به نازل اولیه و نسبت طول به قطر گلوگاه میباشند.
در این پژوهش هندسه و شبکه اجکتور بهصورت سهبعدی و متقارن و روش حل عددی دوفازی مخلوط و روش آشفتگی k-ε میباشد. سپس با استفاده از دادههای حاصل از شبیهسازی عددی یک شبکهی عصبی مصنوعی آموزش داده میشود تا اینکه بهتوان رابطهی بین ورودیهای شبکه عصبی - پارامترهای هندسی - و خروجی شبکه عصبی - دبی گاز مکش شده - را فهمید.
در این شبیهسازی یک شبکهی عصبی پیشخور با تعداد 10 نورون و الگوریتم آموزش لونبرگ-ماکوارت انتخاب شد. میزان متوسط مربعات خطا 0/1891 بهدست آمد. با آموزش درست شبکه عصبی به ازای هر هندسهای میتوان دبی هوای ورودی را به دست آورد و رفتار اجکتور را شبیهسازی کرد.
مقدمه
جت پمپ وسیله ای است که قادر است با ایجاد خلاء، جریان گاز، مایع و یا جامد را انتقال دهد و اساس کار آن بر پایه تبدیل انرژی سرعتی و فشاری به یکدیگر است. از وظایف این دستگاهها ایجاد خلاء و تخلیه گازها و همینطور مخلوط کردن سیالات میباشد. از جت پمپ ها برای اختلاط دو یا چند سیال هم فاز یا غیر هم فاز و همچنین برای افزایش فشار نیز استفاده میشود.
از جمله کاربردهای این وسیله در صنایع نیروگاههای بخار برای تامین خلاء مورد نیاز برای کندانسورهای بخار، در پالایشگاههای نفتی برای جدا کردن مواد نفتی سنگین که دمای جوش بالا دارند و همینطور در صنعت حفاری برای استخراج بیشتر سیال از چاه کم فشار به کمک سیال چاه پرفشار میباشد. جت پمپها همچنین کاربردهای تازه ای نیز پیدا کرده اند که به عنوان نمونه میتوان به جایگزینی آن با کمپرسور در یک سیکل تبرید اشاره کرد. اجکتورها با توجه به نوع سیال کاری به انواع مختلفی از جمله اجکتور مایع-گاز، گاز-مایع، گاز-گاز و اجکتور مایع-مایع، نیز تقسیمبندی میشوند.
مهمترین مساله در اجکتور مربوط به مکش گاز، اختلاط دو سیال و میزان عملکرد آن است. مکش گاز در اجکتور به پارامترهای هندسی و شرایط بهرهبرداری وابسته است؛ که هندسهی اجکتور عاملی است که به شدت در عملکرد آن موثر میباشد. به همین دلیل در این مقاله به بررسی اثر پارامترهای هندسی بر روی میزان دبی گاز مکش شده پرداخته شده است تا به توان رفتار اجکتور را مورد بررسی قرار داد. در این تحقیق پارامترهای؛ نسبت سطح گلوگاه به نازل اولیه، نسبت فاصله بین نازل اولیه و گلوگاه به قطر گلوگاه و نسبت طول به قطر گلوگاه، که پارامترهای بی بعد مهم و موثر در عملکرد اجکتور میباشند مورد بررسی قرار گرفتهاند.
تئوری و پیشینه تحقیق
اجکتور یکی از تجهیزات مهم صنعتی میباشد که با توجه به نبود تجهیزات محرک و سادگی هندسه، کاربردهای بسیار زیاد و مفیدی دارد. پدیدههای موجود در اجکتور بسیار پیچیده میباشد، به همین دلیل مطالعاتی از سال-های پیش در این زمینه انجام شده است. اجکتور در سال 1901 برای خارج کردن هوا از کندانسور موتور بخار توسط چارلز پارسن اختراع شد و در سال 1910 توسط موریس لبلنک در اولین سیکل تبرید با جت پمپ بخار استفاده گردید
کانینگهام [2]، در سال 1974 در یک تحقیق تئوری و آزمایشگاهی به بررسی شکست جت و طول محفظه اختلاط در جت پمپ پرداخت. او همچنین تاثیر نسبت سرعت گاز به مایع، عدد رینولدز و نسبت سطح نازل به گلوگاه را بر طول شکست جت مورد بررسی قرار داده و طول محفظه اختلاط بهینهای را جهت دستیابی به بازده بیشتر بهدست آورد.
فن و همکاران [3]، در سال 2010 با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی روش کارکرد اجکتور را تحلیل کردند و در نهایت طراحی بهینهی آن را انجام دادند. آنها دریافتند که در تحلیل عددی، یک مدل دینامیک سیالات محاسباتی دقیق برای جریان آشفته، بازده اجکتور را تا حد زیادی بهبود میبخشد. آنها بازده اجکتور را به واسطهی طراحی بهینهی آن از %29 تا %33 افزایش دادند.
کیو لی و همکاران [4]، در طول تحقیقات خود دریافتند که طول شبه شوک که در اجکتور اتفاق می افتد اثر غالبی بر روی بهینهسازی هندسه اجکتور دارد. مقصودی و همکاران [5]، با استفاده از تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی اثرات چهار پارامتر هندسی مهم در جت پمپ از قبیل؛ موقعیت مکانی خروجی نازل اولیه، طول محفظه اختلاط، طول دیفیوزر و زاویه واگرایی دیفیوزر را بر روی عملکرد آن بررسی کردند. آنها در نهایت از شبکه عصبی مصنوعی و همچنین الگوریتم ژنتیک بهره گرفتند تا اینکه بهترین هندسهی اجکتور را به دست آورند.
اوستریوس و همکاران[6]، در سال 2014 مقاله ای تحت عنوان " تحلیل cfd جریان نوسانی در اجکتور: بررسی تاثیر زاویه مخروطی" را ارایه دادند. آن ها در این مقاله تحلیل cfd جت پمپ را تحت زوایای مختلف نازل بررسی نمودند سپس بهینهترین زاویه را برای مخروط نازل در نظر گرفتند. طبق نتایج بدست آمده مشخص شد که هر چه میزان زاویه مخروط نازل بیشتر باشد، میزان افت فشار اجکتور بیشتر خواهد بود. اجمل شاه و همکاران [7]، در سال 2014 اثر تغییر طول اختلاط را بر چگالش مستقیم اجکتور جت بخار بررسی نمودند که در نهایت به این نتیجه رسیدند که طول بخش اختلاط تاثیر مستقیمی بر میزان دبی سیال خروجی از نازل دارد.
موهان و همکاران [8]، در سال 2015 مقاله ای با عنوان " بهینه سازی اجکتور با استفاده از روش جانشینی چندگانه" را جهت بهبود بازده اجکتور ارایه دادند. آنها در این مقاله از روش جانشینی چندگانه برای مدلسازی الگوریتم بهینه سازی استفاده کردند. آنها پارامترهای؛ نسبت طول به قطر لوله اختلاط، نسبت سطح - سطح نازل به گلوگاه - و نسبت فاصله بین نازل تا گلوگاه به قطر گلوگاه را جهت افزایش بازدهی اجکتور در نظر گرفتند.
لی و همکاران [9]، در سال 2007 در یک تحقیق عددی و آزمایشگاهی به مطالعه در مورد تاثیر فشار و دبی مایع و قطر نازل اولیه بر روی مکش فاز گاز پرداختند. نتایج آنها نشان داد که با افزایش قطر نازل و کاهش سرعت نازل، مکش گاز کاهش مییابد.
در این مطالعه جت پمپ با روش عددی دوفازی مخلوط و معادلات آشفتگی k-ε و با استفاده از هندسه دوبعدی بهصورت متقارن محوری حل گردید. حل دوبعدی بهصورت متقارن محوری مساله را بهصورت دوبعدی حل میکند ولی تاثیرات حل سهبعدی را لحاظ مینماید؛ به این ترتیب در وقت و هزینه صرفهجویی میشود. این مطالعه نشان داد که با افزایش دبی مایع ورودی، دبی گاز افزایش یافته و با افزایش قطر نازل، دبی گاز کاهش مییابد.
مدلسازی
مدل مخلوط یک مدل دوفازی ساده برای هنگامی است ک فازها با سرعت متفاوتی حرکت کنند. مدل مخلوط میتواند برای مدل کردن جریانهای چندفازی که فازها با سرعتهای مختلف حرکت میکنند، مورد استفاده قرار گیرد. در مدل مخلوط هر تعداد فاز مختلف با حل معادلات اندازه حرکت، پیوستگی و انرژی برای مخلوط و معادلات کسر حجمی برای فاز پراکنده - فاز دوم - و روابط جبری برای سرعتهای نسبی، مدل میشود.
معادله پیوستگی و بقای اندازه حرکت برای جریان دوفازی مایع-گاز در مدل مخلوط به صورت معادله 1و 2 میباشند.
- سرعت جرمی متوسط است که بهصورت رابطهی 3 تعریف میشود.
- چگالی مخلوط بهصورت مخلوطی از دو فاز است که به صورت رابطه 4 تعریف می شود
- لزجت مخلوط بهصورت مخلوطی از دو فاز است که به صورت رابطه 5 تعریف می شود
- سرعت نسبی بهعنوان سرعت فاز ثانویه - p - نسبت به فاز اولیه - q - تعریف میشود که در رابطه 6 آورده شده است
- سرعت راندگی و سرعت نسبی با رابطهی 7 به هم مربوط میشوند
- سرعت نسبی در نرمافزار فلوئنت1 بهصورت رابطهی 8 تعریف میشود
