بخشی از مقاله
چکیده
با استفاده از مدلسازي سیالاتی شیر کنترلی، رفتار جریان در داخل شیر بوسیله دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - شبیهسازي میگردد تا به کمک نتایج تحلیلی بتوان یک پروفیل داخلی مناسب براي شیر کنترلی بگونهاي طراحی نمود که از لحاظ دبی عبوري و خاصیت اعمال شده به شیر پاسخگوي نیاز مورد نظر باشد. در این تحقیق پروفیل داخلی یک نمونه شیر با خاصیت کنترلی مشخص طراحی شده و سپس بوسیله نرم افزار CFX بررسی و تحلیل شده است و شکل داخلی شیر در جهت رسیدن به حداکثر ظرفیت جریان عبوري با خاصیت کنترلی معین و کاهش نواحی داراي سرعت هاي غیر مجاز بهینه شده است. جهت کنترل صحت نتایج مدلسازي درحصول به خاصیت کنترلی مشخص شیر، نتایج بدست آمده با اطلاعات ارایه شده توسط سازنده اصلی شیر کنترلی مقایسه وبصورت نمودار ارایه شده است.
واژههاي کلیدي: دینامیک سیالات محاسباتی، بهینهسازي، منحنی عملکرد، شیر کنترلی، خاصیت جریان، ظرفیت شیر
-1 مقدمه
هدف از مدلسازي سیالاتی شیر کنترلی، شبیه سازي رفتارجریان در داخل شیر با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - است تا به کمک نتایج آن بتوان یک پروفیل داخلی مناسب براي شیر کنترلی طراحی نمود بگونهاي که از لحاظ دبی عبوري و خاصیت اعمال شده به شیر، پاسخگوي نیاز مورد نظر باشد. بعلاوه با استفاده از مدلسازي میتوان از ایجاد افت فشار بیش از حد و سرعتهاي بالاتر از حد مجاز در شیر جلوگیري کرد و در واقع از آسیب احتمالی شیر کنترلی اعم ازسایش، خوردگی و شکستگی بدنه پیشگیري نمود. بعبارت دیگر استفاده از مدلسازي سیالاتی کمک میکند که به جاي صرف هزینه و وقت زیاد براي انجام آزمایشهاي تجربی، رفتارسیال را در داخل شیر پیشبینی کرده و به بهینه سازيپارامترهاي طراحی پرداخت.
در طراحی شیرهاي کنترلی، مهمترین مساله طراحی خاصیت جریان به منظور دستیابی به رفتار مناسب شیر جهت کنترل دبی و فشار جریان عبوري میباشد که این کار مستلزم طراحی دقیق شکل داخلی شیر و اجزا تنظیمکننده جریان میباشد .[1]با توجه به اینکه طراحی شکل داخلی شیرهاي کنترلی یک فرآیند همراه با سعیوخطا است و نیازمند به انجام آزمایشهاي تجربی پر هزینه و زمانبر است لذا در سالهاي اخیر استفاده ازروشهاي دینامیک سیالات محاسباتی در طراحی و مطالعه شیرهاي کنترلی بسیار رواج یافته است. استارز و همکاران [2] با استفاده از نتایج حاصل از CFD، به اصلاح شکل ورودي قفس شیر و تغییر در شکل داخلی مسیر جریان پرداختند وظرفیت جریان عبوري یک شیر کروي خاص را 15درصدبالاتر بردند.
آنها نشان دادند که نتایج پیشبینی شده توسط روشهاي عددي تنها 2درصد با نتایج آزمایشها تفاوت دارد. دیویس [3] با استفاده از روشهاي عددي، خواص جریان شیر کنترلی کروي را در حالت خاصیت خطی1 و درصد مساوي2مورد مطالعه قرار داد و با مقایسه آن با نتایج تجربی نشان داد که استفاده از CFD در مطالعه جریانهاي سهبعدي در شیرکنترلی بسیار مفید است و باعث سادگی مراحل طراحی میگردد. همچنین سالوادر و همکاران [4] با تحلیل یک شیر کنترلی، رفتار جریان داخل شیر را مدلسازي نمودند و با مقایسه آن با نتایج تجربی اعتبار نتایج بدست آمده از CFD را مورد تأیید قرار دادند.
در اینجا ابتدا با استفاده از اطلاعات مربوط به شیر با خاصیت کنترلی جریان درصد-مساوي که در مرجع [1] معرفی شده است قفس و پلاگ شیر - عضوهاي اصلی تعیین کننده خاصیت جریان - طراحی شده است هچنین پروفیل داخلی شیر نیز با توجه به ابعاد شیر و قفس طراحی شده و سپس کل این مجموع مورد تحلیل سیالاتی توسط نرم افزاز CFX قرار گرفته است و طی تحلیلهاي مختلف اجزا مختلف داخل شیر در جهت رسیدن به خاصیت کنترلی مورد نظر، دبی ماکزیمم و همچنین کاهش آسیبهاي احتمالی ناشی از جریان بهینهسازي شده است. در نهایت عملکرد کنترل جریان شیر طراحی شده با اطلاعات ارایه شده توسط سازنده اصلی شیرکنترلی مقایسه و بصورت نمودار ارایه شده است.
-2 مدلسازي سیالاتی شیر
در اینجا براي تحلیل سیالاتی شیر از نرم افزار CFX استفاده شده است. در ابتدا بر اساس طرح بدست آمده از الگوریتم نوشته شده در محیط Matlab براي شکل قفس [1] - طراحی دهانههاي تعبیه شده بر روي قفس - ، شکل کلی شیر با نرمافزار Catia طراحی شده است. شکل کلی یک نمونه شیر - برش طولی آن - در شکل - 1 - نشان داده شده است.
-1-2 مدل المان محدود
مدل طراحی شده در Catia وارد محیط طراحی CFX میشود و در آنجا قسمت داخلی شیر - در واقع حجم کنترل - جدا شده و سپس این حجم کنترل وارد محیط ایجاد شبکه محاسباتی میگردد. در این محیط اندازه اولیه المانهاي حجمی جسم و همچنین عملیاتی مانند ریزکردن المانهاي یک ناحیه خاص انجام میگیرد. بعلاوه در دیوارههاي نزدیک سطوح مرزي - با توجه به اینکه سرعت تغییرات در نواحی نزدیک سطوح مرزي بالاست - المان منظمتري ایجاد میگردد درشکل - - 2 یک نمونه از حجم کنترل المانبندي شده شیر نمایش داده شده است.
-2-2 شرایط مرزي مساله
با توجه به فیزیک مساله، شرایط مرزي مناسب یکی ازسه حالت؛ اعمال فشار در ورودي و دبی در خروجی، فشار در خروجی و ورودي - و یا بعبارت دیگر اختلاف فشار ورودي و خروجی - و یا اعمال دبی در ورودي و فشار در خروجی میباشد. از آنجایی که شکل داخلی شیر از فرآیند طراحی حاصل شده است و افت فشار ایجاد شده توسط آن مشخص نیست لذا به نظر میرسد که شرایط مرزي مطلوب، اعمال فشار در ورودي و دبی در خروجی است و در واقع با این کار فشار خروجی از تحلیل شیر طراحی شده در CFX بدست میآید تا بدین وسیله افت فشار در دبی مورد نظر مشخص گردد.
اما با توجه به اینکه یکی از اهداف مدلسازي سیالاتی شیر کنترلی بدست آوردن نمودار عملکرد شیر - نمودار دبی بر اساس درصد بازشدگی - میباشد و با توجه به اینکه این نمودار توسط شرکتهاي سازنده تحت افت فشار ثابت ارایه میشود بنابراین در اینجا نیز فشار ورودي و خروجی، در هر مرحله به شیر اعمال میگردد و توسط CFX دبی عبوري در درصد بازشدگی مورد نظر تحت افت فشار مشخص شده بدست میآید. البته افت فشار ایجاد شده توسط شیر در حالتی که شیر کاملا باز است و کمترین مقدار اتلاف در شیر ایجادمیگردد، تحت ماکزیمم دبی مورد نظر بررسی شده است وافت فشار ایجاد شده در این حالت - بدست آمده از نرم افزار - CFX با افت فشار فرض شده براي شیر - حدود 3 بار - تقریبامنطبق است.
بنابراین به نظر میرسد که اعمال شرط فشار در ورودي و خروجی، قابل قبول باشد.همچنین در اکثر تحلیلهاي انجام شده با توجه به موقعیت قرارگیري قفس در داخل شیر، از تقارن مدل نسبت به صفحهYZ - با توجه به شکل - 2 استفاده گردیده است و نصف مدل شیر - نسبت به صفحه - YZ تحلیل شده است. به عبارت دیگر در این موارد، شرایط مرزي تقارن برروي مقطع شیر YZ اعمال شده است. بقیه سطوح خارجی شیر نیز بعنوان دیواره در نظر گرفته شده است. در مورد شرایط مرزي ورودي و خروجی شیر، با توجه به گزینههاي موجود در محیط CFX، در ورودي فشار کل و در خروجی فشار استاتیکی به شیر اعمال میگردد.
این مقادیر بر اساس فشارهاي دو طرف شیر کنترلی نمونه - شیر کنترلی مسیر آب تغذیه بویلر نیروگاه سیکل ترکیبی منتظر قائم - انتخاب شده است که این مقدار اختلاف فشار در حالت کارکرد نرمال 3/35 بار است. روي سطوح خارجی باقیمانده، گزینه شرط مرزي دیواره انتخاب شده است. در مواردي هم که نصف مدل شیر بررسی شده، برروي سطح واقع در صفحه
تقارن، گزینه شرط مرزي تقارن1 اعمال گردیده است. همچنبن با فرض ناچیز بودن تغییرات دمایی در شیر - که از لحاظ عملی و با توجه به ابعاد شیر قابل قبول است - نوع فرآیندهمدما2 و دماي فرآیند 25 درجه سانتیگراد انتخاب شده است.
جریان در داخل شیر، مغشوش در نظرگرفته شده و این جریان مغشوش با استفاده از معادلات مدل k-ε، بیان شده است.لازم به ذکر است که جهت جریان در این شیرها بگونهاي است که از قسمت بالاي نشیمنگاه وارد شیر میشود و به اصطلاح شیر داراي جریان بطرف پایین3 میباشد.بر اساس آنچه بیان شد براي هر مدل شیر طراحی شده به ازاي بازشدگی از 0 تا 100 درصد - به ازاي بازههاي 10درصدي - مقدار دبی توسط CFX مشخص میگردد. البته درابتدا در 80 درصد بازشدگی - با توجه به اطلاعات شیر نمونه - بیشینه دبی عبوري کنترل میگردد و با توجه به مقدار دبی شیرنمونه، اگر مقدار بدست آمده براي شیر طراحی شده کمتر باشد، سطح عبوري یا شکل پروفیل داخلی شیر تغییر داده میشود تا مقدار دبی مورد نظر در 80 درصد بازشدگی حاصل گردد. سپس همانطور که گفته شد در مقادیر مختلف بازشدگی مقدار دبی بدست آمده و نهایتاً نمودار عملکرد شیر رسم میگردد و با نمودار عملکرد شیر نمونه مقایسه میگردد.
اگر نمودار شیر بدست آمده بر نمودار خاصیت جریان درصد- مساوي منطبق نباشد، شکل شکاف بر روي قفس دوباره طراحی میشود و در واقع پارامترهاي موجود درالگوریتم طراحی شکاف قفس که شامل نقطه شروع خطی شدن پروفیل، مجموع سطح مقطع شکاف و تعداد تقسیمات شکافها میباشد، تغییر مییابد و شکل جدیدي براي شکاف در نظر گرفته میشود و مراحل ذکر شده دوباره در محیط نرم افزار CFX تکرار میگردد تا در نهایت شکل مناسب قفس حاصل گردد بطوریکه هم نمودار عملکرد مناسب داشته باشد و هم اینکه بتواند بیشینه دبی مورد نیاز را عبور دهد. البته براي رسیدن به بیشترین دبی در یک اندازه مشخص شیر علاوه بر شکل قفس، شکل داخلی شیر نیز بسیار تعیین کننده میباشد که در اینجا پروفیل داخلی شیر نیز مورد تحلیل وبررسی قرار گرفته و بهینه شده است. در ادامه به مراحل طراحی شیر نمونه و نتایج آن اشاره میشود.
-3-2 نتایج تحلیل سیالاتی
در طی طراحی و تحلیل شکل داخلی شیر و قفس آن تغییرات متعددي با توجه به نتایج تحلیلها انجام گرفت که این
