بخشی از مقاله
خلاصه
شناخت توزیع سرعت و فشار درون گسیلنده های جریان در ادوات آبیاری تحت فشار برای تعیین روابط دبی- فشار و همچنین میزان افت ایجاد شده، در طراحی صحیح و افزایش کارایی یک سیستم آبیاری موضعی، عامل مهمی محسوب میشود. در حال حاضر مدلهای کامپیوتری همچون FLUENT، به دلیل هزینه پایین و سرعت بالا، میتوانند برای کمک به فرایند طراحی گسیلندهها و بویژه نوارهای آبیاری - که نا کنون تحقیقات خاصی روی آنها صورت نگرفته است و استفاده از آنها در کشور افزایش یافته است - و مطالعه هیدرولیک جریان در آنها گزینه مناسبی باشند.
در این مطالعه به شبیه سازی عملکرد هیدرولیکی جریان و تعیین معادله دبی- فشار برای قطره چکان یک نوار آبیاری، توسط نرمافزار فلوئنت و تحت دومدل آشفتگی k- و k- پرداخته شده است. با مقایسه نمودار دبی-فشار مدل شبیه سازی با کاتالوگ شرکت سازنده، میتوان به قابلیت بالای نرم افزار فلوئنت در تحلیل جریانهایی با مقیاس کوچک پی برد. همچنین نتایج تحقیق نشان داد که تغییر پارامترهای آشفتگی تاثیر چندانی درنتایج بدست آمده نداشته در حالی که نوع مدل آشفتگی عامل تاثیرگذار شناخته شد و مدل k-، انطباق بهتری با اندازهگیریهای موجود داشت.
-1 مقدمه
آبیاری قطرهای یک روش موضعی است که آب را به طور آهسته و مکرر، در اختیار گیاه قرار میدهد. از آنجاکه قطرهچکانها مهمترین بخش سیستم آبیاری قطرهای محسوب میشوند، لذا بررسی کیفیت آنها، مهمترین عامل موثر در بالا رفتن کارایی یک سیستم آبیاری قطرهای محسوب میشود. در حال حاضر برای ساخت قطرهچکانهای جدید و ارزیابی قطرهچکانهای موجود در بازار، از آزمایش کمک گرفته میشود و پس از فرایند ساخت، قطره چکانها در آزمایشگاه، مورد آزمایش قرار گرفته و در صورت نامناسب بودن، قالب آنها اصلاح و دوباره با قالب اصلاح شده تولید میشوند، در نتیجه زمان وهزینه زیادی صرف فرایند ساخت قطرهچکانها میشود.[1]
در شرایط کنونی، با توسعه این نوع آبیاری و به ویژه آبیاری نواری روبرو هستیم که علاوه بر کاهش مصرف آب، از نظر اجرا و هزینه نیز برای کشاورزان مناسب است. منتهی در خصوص عملکرد هیدرولیکی این نوارها و گسیلنده های برخط آنها پژوهش جامعی انجام نشده است. با توجه به قرارگیری متوالی قطرهچکانها در طول مسیر نوارهای آبیاری و تغییر فشار در نتیجه تلفات طولی مسیر و تلفات موضعی موجود، تعیین رابطه بین دبی و فشار در ورودی هر قطره چکان با توجه به ابعاد و هندسه بسیار کوچک آن توسط شرکت های سازنده بسیار سخت و عملا غیرممکن میباشد.
مدلهای کامپیوتری همچون ANSYS، FLUENT و Flow 3D به دلیل هزینه پایین، سرعت بالا و در اختیار قراردادن اطلاعات کامل میتوانندگزینه مناسبی برای کمک به کاهش روند تولید و مطالعه هیدرولیک جریان در قطرهچکانها باشند. در این تحقیق، رفتار جریان داخل مجرای قطرهچکان برای محاسبه توزیع سرعت و فشار شبیهسازی شد و رابطه بین فشار و میزان دبی - تعیین ضرایب X و K رابطه دبی-فشار - برای هندسه مشخص قطرهچکان تعیین گردید.
برای این امر، نرمافزارFLUENT به دلیل کارایی بالاتر آن در مسائل مربوط به جریان سیالات انتخاب گردید. از جمله تحقیقات صورت گرفته در این زمینه را میتوان بصورت زیر بیان نمود: ازکیسی و همکاران - 1991 - ، تلفات فشار داخل مسیرهای مارپیچ قطرهچکانها را با فرض آرام بودن رژیم جریان، مورد آنالیز قرار دادند و گزارش دادند که تلفات فشار در طول جریان، نتیجه لبههای مارپیچ قطرهچکانها بوده است.
پالائو و سالوادور - 2004 - ، رابطه بین فشار و میزان دبی را برای یک قطره چکان داخل خط با استفاده از نرمافزارفلوئنت شبیهسازی نمودند. وانگ و همکاران - 2006 - ، در تحقیقی با استفاده از مدل ناپایدار چند فازی VOF به شبیهسازی جریان غیرماندگار در مجاری قطرهچکانها پرداختند. وی و همکاران - 2006 - ، به شبیهسازی جریان در سه نوع قطرهچکان مختلف با هندسه مجرای متفاوت پرداختند. نتایج این مطالعه نشان داد که مجرای مثلثی نسبت به مجرای مستطیلی و ذوزنقهای از نظر ایجاد افت فشار کارایی بالاتری دارد.
یان و همکاران - - 2007، به بررسی اثر زاویه دندانههای مجرای قطرهچکانها بر جریان خروجی از قطرهچکان پرداختند. نتایج این شبیهسازی حاکی از تاثیر زیاد زوایای دندانهها روی افزایش کارایی هیدرولیکی قطرهچکانها بود. مهدی دلقندی و همکاران - 1388 - ، در تحقیقی به بررسی و تحلیل خصوصیات هیدرولیک جریان در مجاری ریز سه نمونه از دو نوع قطرهچکان مارپیچی تحت دو مدل آشفته و آرام با استفاده از نرمافزار FLUENT پرداختند. نتایج این تحقیق نشان داد، افت فشار در اثر ورودی و خروجی قطرهچکانها ناچیز و قسمت اعظم فشار در طول مسیر مستهلک میشود.
-2 تئوری مسئله
تعیین رابطه بین دبی و فشار در ورودی هر قطرهچکان ، با توجه به قرارگیری متوالی قطرهچکان ها در طول مسیر نوارهای آبیاری و تغییر فشار ورودی در نتیجه تلفات مسیر، از اهمیت زیادی برخوردار است. تعیین این رابطه توسط شرکتهای سازنده اغلب به دلیل ساختار ریز و پیچیده قطرهچکانها، مستلزم صرف هزینه و زمان قابل توجهی میباشد. اما امروزه با پیشرفت فناوری و ورود مدل های کامپیوتری پیشرفته از جمله FLUENT، میتوان به مطالعه دقیق هیدرولیک جریان در هندسه های پیچیده پرداخت و در حین حال زمان و هزینه بالای مدل های فیزیکی را کاهش داد.
نرم افزار فلوئنت به زبان برنامهنویسی C نوشته شده است و یک برنامه کامپیوتری قوی برای تحلیل و شبیهسازی جریان سیال و انتقال حرارت در هندسههای پیچیده است. در این نرمافزار با کمک توابع تعریف شده توسط کاربر، میتوان قابلیت ها و تواناییهای نرمافزار را در تشریح شرایط مرزی، تعریف خواص فیزیکی و حتی ایجاد و تولید شبکه های فیزیکی و حتی تولید شیوههای بهتر افزایش داد.
این نرمافزار میتواند در شبکه های بیسازمان و باسازمان، برای هندسههای پیچیده شبیهسازی و تحلیل را انجام دهد. در این تحقیق از نرمافزار فلوئنت برای شبیبهسازی جریان در مجرای قطرهچکان استفاده شده است. مراحل شبیهسازی شامل تولید هندسه قطرهچکان و شبکهبندی آن در نرم افزار پیشپردازنده گمبیت - GAMBIT - ، انتقال شبکه به نرم افزار فلوئنت، انتخاب شیوه محاسباتی و معادلات اساسی، تعیین خواص و شرایط مرزی و مقدار دهی اولیه وشروع محاسبات است.
-3 مواد و روشها
انتخاب و تعیین ابعاد و اندازه قطره چکان
در این تحقیق با بررسی انواع مختلف قطرهچکانهای موجود در بازار، قطرهچکان نوع تیپ برای شبیهسازی و بررسی شرایط جریان انتخاب گردید. این قطرهچکان از نوع تیپ بوده و با هندسه مارپیچی شکل به عنوان یکی از تجهیزات مهم آبیاری قطرهای در تیپ های نواری آبیاری تحت فشار مورد استفاده قرار میگیرد. طول مسیر جریان در این قطرهچکان حدود 29 میلیمتر است. در شکل - 1 - تصویر قطره چکان مورد مطالعه ارائه شده است. در جدول - 1 - و شکل - - 2 نیز، جزئیات ابعاد واندازه قطره چکان نشان داده شده است.
ساخت هندسه مدل و شبکهبندی
نرم افزارفلوئنت یک نرم افزارمحاسباتی - - solver است و ساخت و تعریف شبکه محاسباتی متناسب با مسئله، برای استفاده از آن ضروری است. گمبیت ازجمله پیش پردازندههای فلوئنت و بهترین انتخاب برای ساختن فایلهای ورودی فلوئنت است. این نرمافزاربرای مدلسازی، تولید شبکه محاسباتی و تعیین شرایط مرزی استفاده می شود.
به منظور دست یابی به یک شبکه بندی منظم باکیفیت، هندسه قطرهچکان به احجام کوچکتر تقسیمبندی شده و از الگوریتم چهاروجهی MAP برای شبکه بندی احجام مورد نظر استفاده شده است. البته در قسمت ورودی و خروجی قطرهچکان بدلیل غیرممکن بودن اجرای شبکه بندی چهاروجهی منظم، از الگوریتم COOPER استفاده شده است. در شکل - 3 - و - 4 - هندسه ساخته شده و شبکهبندی اجزای آن نمایش داده شده است.
