بخشی از مقاله
چکیده
در تحقیق حاضر، یک مدل دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - به منظور بررسی اختلاط مکانیکی در یک هاضم هضم بی هوازی و اثر رئولوژی خوراک بر روی رفتار جریان درون هاضم توسعه داده شد. ، معادلههای المان محدود سیال و جامد با استفاده از روش برهمکنش سیال-جامد - FSI - و جفتشدگی مستقیم حل گردید. از نرمافزار ANSYS workbench 14.5 برای مدلکردن همزن استفاده شد.
نتایج آنالیز FSI نشان داد که قسمت انتهایی پرهها تحت تنش بیشتری هستند. بهعلاوه افزایش سرعت همزدن و ویسکوزیتهی سیال این تنش را افزایش داد. کمترین ضریب اطمینان برای ساختار همزن در بدترین حالت ممکن 8/14 بهدست آمد. این بدین معنی است که طراحی قسمت جامد - همزن - براساس مدل ریاضی به اندازهی کافی خوب و قابل قبول است.
-1 مقدمه
امروزه بیشتر انرژی مورد نیاز کشور ایران از سوختن مواد فسیلی حاصل میشود. سهم انرژی از منابع تجدیدپذیر تقریبا ناچیز است. آلودگی زیست محیطی یکی از بزرگترین چالشهای بشر در قرن 21 است. همچنین ما با پیآمد تغییر آب و هوا، افزایش جهانی تقاضای سوختهای فسیلی، عدم تامین انرژی و استخراج مداوم از منابع محدود طبیعی روبه رو هستیم
هیئت بینالمللی تغییرات آب و هوایی 1 - IPCC - مصرف انرژی در سال 2100 را سه برابر نسبت به سال 1990 پیشبینی کرده است. - IPCC - با توجه به این رشد سه برابری، پیشنهاد میکند در سال 2050 تقریبا %30 از انرژی مصرفی جهان از منابع تجدید شونده انرژی تامین شود. برای سال 2075 این درصد به %50 افزایش مییابد. برای سال 2100 این درصد باز هم افزایش خواهد یافت
هضم بیهوازی، فرآیندی بیولوژیکی است که مواد تجزیه پذیر را در غیاب اکسیژن به بیوگاز تبدیل میکند. بیوگاز ارزش گرمایی بالایی دارد و میتواند الکتریسیته و گرما تولید کند .[3] بیوگاز معمولا حاوی 50 تا 80 درصد متان و 20 تا 40 درصد دیاکسید کربن ونیز مقادیر اندکی نیتروژن، هیدروژن، سولفید هیدروژن می باشد
انجام یک طراحی ایمن و بهینه که با حداقل هزینه حداکثر کارایی را فراهم نماید نیازمند شناخت دقیق اثرات سیال بر سازه و همچنین رفتار سازه در برابر اثرات وارده می باشد. قطعا کسب چنین اطلاعاتی جز با انجام یک شبیه سازی واقع گرایانه میسر نخواهد بود. استفاده از مدلهای دینامیک سیالات محاسباتی در راکتورهای هضم بیهوازی هنوز در مراحل اولیه است. این در حالی است که کاربرد عملی و بهینه فرآیند بهخصوص به منظور تولید انرژی و حذف آلایندهها، مستلزم درک کاملتر قواعد حاکم بر فرآیند و اثرات آن است.
استفاده از روش برهمکنش سیال و جامد - FSI - 2 برای مدلسازی همزمان سیال و جامد، از مباحث جدید مطرح شده در مهندسی است. برهمکنش سیال و جامد - FSI - محاسباتی اواخر سال 1960 ظهور پیدا کرد و در ابتدا توسط مسایل خطی - یا خطی شده - در آکوستیک، ارتعاش و لرزش پیش برده شد .[5] امروزه انواع پدیدههای فیزیکی ناشی از برهمکنش سیال و جامد - FSI - را میتوان در بسیاری از کاربردهای مهندسی در تحقیقات مختلف از قبیل پایداری و پاسخ بالهای هواپیما [7 ,6]، جریان خون ضرباندار از طریق شریانها ، پاسخ پلها و ساختمانهای بلند به باد [13 ,12]، لرزش تیغههای توربین و کمپرسور و نوسان مبدلهای حرارتی .[15 ,14] شبیهسازی چتر نجات [17 ,16]، مخازن همزندار [18]، توربین بادی [20 ,19] دید.
برهمکنش سیال و جامد زمانی اتفاق میافتد که سیال با جامد برخورد داشته و حرکت سیال و جامد وابسته به یکدیگر باشد. به عبارت دیگر، نیروها و تنش اعمالی از سیال باعث تغییر شکل یا حرکت جامد شده و متعاقب آن تغییر شکل یا حرکت جامد نیز در میدان و رفتار جریان اولیه سیال تأثیر میگذارد. حرکت سیال و جامد میتواند با دو دیدگاه لاگرانژی و اویلری بیان شود. در فرمولبندی لاگرانژی، حرکت اجزا در میدان محاسباتی ردگیری میشود، در حالی که در فرمولبندی اویلری، ذرات از شبکهی محاسباتی ثابت عبور میکنند. به همین دلیل عموما فرمولبندی لاگرانژی برای جامد و فرمولبندی اویلری برای سیالات استفاده میشود
برای حل عددی معادلات حاکم بر میدان سیال، از روشهای اجزای محدود3، تفاضل محدود4 و حجم محدود5 در مختصات مرجع اویلری و در نقاط ثابت فضایی شبکهی محاسباتی استفاده میشود. با اینکه مختصات مرجع اویلری در میدانهای جریان با دیوارهی ثابت نتایج خوبی را ارائه میدهد ولی در مدلسازی سیال با مرز متحرک6 و مسائل FSI که در آن خود شبکهی محاسباتی - که ذرات از آن عبور میکنند - نیز تغییر میکند، با مشکلات فراوانی مواجه میشود. روشهای مختلفی برای رفع این محدودیتها در مسائل مرز متحرک و تعامل سیال و جامد ارائه شده است.
یکی از روشهای شناخته شده در این زمینه، روش لاگرانژی -اویلری اختیاری - ALE - 7 است. در این روش فرمولبندی اویلری برای مرز ثابت، فرمولبندی لاگرانژی برای مرز متحرک و فرمولبندی ALE برای سایر مناطق استفاده میشود و اجازه حرکت دلخواه نقاط شبکه نسبت به مبداء مختصات را فراهم میسازد.
روش ALE که خود مبتنی بر یک فرمولاسیون مکانیک محیط پیوسته منحصر به فرد است، هر وقت تغییرفرم المانهای لاگرانژی از حدی بیشتر شد، با استفاده از روش اویلری ماده درون سلولها جابجا شده و مشبندی جدید لاگرانژی مطابق با محل جدید ماده مورد بررسی ایجاد میگردد. بدین ترتیب هم میتوان از قابلیت منحصر بهفرد روش اویلری در تغییرفرمهای بسیار بزرگ بهره برد و هم مرزهای مواد را با دقت مناسبی پیشبینی کرد. مزایایی چون دقت و سادگی اعمال آن باعث شده است که استفاده از این نوع فرمولبندی متداول شود
