مقاله بررسی مدل های مختلف آشفتگی در شبیه سازی stirred tank دارای همزن راشتون ۶ پره ای

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

  مقاله بررسی مدل های مختلف آشفتگی در شبیه سازی stirred tank دارای همزن راشتون ۶ پره ای دارای ۱۶ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله بررسی مدل های مختلف آشفتگی در شبیه سازی stirred tank دارای همزن راشتون ۶ پره ای  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله بررسی مدل های مختلف آشفتگی در شبیه سازی stirred tank دارای همزن راشتون ۶ پره ای،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

---

بخشی از متن مقاله بررسی مدل های مختلف آشفتگی در شبیه سازی stirred tank دارای همزن راشتون ۶ پره ای :

۱ مقدمه

Stirred tank ها دارای کاربرد گسترده ای در صنایع معدنی، متالوژیکی، شیمیایی، غذایی و فرآیندی هستند. با توجه به گستردگی کاربرد این نوع از مخازن و با در نظر گرفتن اینکه طراحی این نوع از مخلوط کنندهها و

-۱ دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی سهند تبریز

-۲ دانشیار دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی سهند تبریز

-۳ دکتری مهندسی شیمی، پالایشگاه تبریز

-۴ دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی سهند تبریز

سیزدهمین کنگره ملی مهندسی شیمی ایران

و اولین کنفرانس بینالمللی منطقهای مهندسی شیمی و نفت

مبانی آن تا کنون بارها مورد بررسی قرار گرفته است، لذا اطلاع از مشخصات مختلف جریان مانند پروفایلهای توزیع سرعت، پارامترهای آشفتگی و ; در بهینه کردن استفاده از آنها بسیار مهم است.[۱-۱۲ ]

حرکت سیال درون این مخازن به صورت سه بعدی و پیچیده همراه با ساختارهای گردابی و طبیعت نامنظم است.

با شروع حرکت پره، سیال گردش خود را آغاز کرده و جریانهای آشفته آغاز میشوند. آشفتگیها در نزدیکی پره ها دارای درجات و سطوح بالاتری هستند. که وجود نوسانات غیر تصادفی ایجاد شده به وسیله عبور دوره ای پرههای همزن ساختار آشفتگی را در نواحی نزدیک به پره بسیار پیچیده میکند. -۱۴] Vant reif & Smith [13 یک جفت دنباله ادی قوی که در پشت پرهها تشکیل میشوند را تشخیص دادند. منبع ایجاد نوسانات دورهای و غیر تصادفی بر روی نقاط ثابت اندازه گیری، حرکت این ادیها می باشد. این نوسانات دورهای را pseudo-Turbulence می نامند.

جهت فهم پدیدههای جریانی در این تانکها، تا کنون مطالعات متعددی انجام شده است. بسیاری از این مطالعات بر روی جریان این مخازن به سبب پیچیدگیهای بسیار زیاد آنها برای حل تحلیلی، به صورت تجربی می باشند۸] و.[۱۵ بررسیهای آزمایشگاهی نقش بزرگی در فهم بهتر هیدرودینامیکهای پیچیده مخازن همزن دار ایفا میکنند.[۱۲] این مطالعات اغلب عدد توان و رابطه آن با عدد رینولدز، زمان گردش و مشخصات کلی نواحی جریان را بررسی کرده اند.[۹] ولی باید توجه داشت که این اندازهگیریها به خوبی اندازهگیری سرعت نمیباشند.(Mean Velocities)[8 ] این نقصان، به دلیل سختیهای ذاتی اندازه گیری جریان آشفته و محدودیت های متفاوت روشهای مختلف اندازه گیری است. روشهای اندازهگیری متفاوتی مثل : Pitute tube، Hot wire، LDA و PIV تا کنون مورد استفاده قرار گرفته اند.[۸]

این روشهای تجربی نمیتوانند اطلاعاتی در خصوص پدیده های محلی اختلاط و هم چنین بر هم کنش آن با دیگر پدیده ها را ارائه دهد.[ ۸ ] هم چنین در مورد تصحیحات بر اساس اندازهگیریهای آزمایشگاهی همواره نگرانی بابت scale up وجود دارد.

علاوه بروجود این مسائل تقاضا جهت اطلاعات محلی جریان در مهندسی شیمی و سایر رشته ها رو به افزایش است. همچنین بسیاری از جریانات صنعتی شدیدا آشفته، غیر همگن و در گسترهای بزرگ از مقیاسهای دمایی و فضایی می باشند .[۹]

محدودیت های کارهای آزمایشگاهی به همراه سختی و پیچیدگی این مخازن برای حل تحلیلی، باعث گردید محققان روشهای جدیدتری را جستجو کنند. در سالهای اخیر شبیهسازی به همراه ابزارهای تکنیکی آن، تکنیکی است که به صورت روزافزون مورد استفاده قرار میگیرد. این روش به عنوان جایگزینی برای آزمایشات، به منظور بدست آوردن خواص نواحی جریانی برای دسته های مختلف سیال، پره وشکل تانک است. از مزایای این روش میتوان به عدم وجود مشکل Scale Up و Scale Down در حل معادلات حاکم،

Impeller- Baffle

Rotor-Stator
سیزدهمین کنگره ملی مهندسی شیمی ایران و اولین کنفرانس بینالمللی منطقهای مهندسی شیمی و نفت

هزینههای عملیاتی بسیار کمتر در مقایسه با کار آزمایشگاهی، گستره قابل توجهی از دادههای جریانی، امکان استفاده از تمام مواد حتی مواد سمی و امکان ایجاد شرایط عملیاتی در شبیهسازی که برقرار کردن آن در کارهای آزمایشگاهی اگر غیر ممکن نباشد بسیار سخت است، اشاره نمود. دینامیک سیال محاسباتی، CFD،

ابزاری را جهت تخمین اطلاعات تفصیلی جریان سیال که در مدلسازی زیر فرآیندها در مخزن های همزندار

مورد نیاز است، فراهم می کند. از ابزارهای بسیار مفید در این زمینه Fluent می باشد.

در مدلسازی مخازن همزندار موارد متعددی مد نظر قرار می گیرند که مهم ترین آنها عبارتند از تراکم مش مناسب، متدهای مجزاسازی( (Descretization ، مدل چرخش پره و در نهایت مدل آشفتگی.[۱۱]

انتخاب این عوامل اثرات قابل توجهی را بر روی دقت شبیه سازی CFD و هزینههای محاسباتی دارد.[۱۱] اثر این مطلب به خصوص در شبیهسازیهای CFD در مخازن صنعتی بزرگ، که در آنها مقدار حجم های کنترلی بشدت با افزایش اندازه تانک افزایش می یابند، قابل توجه است.[۲] تمامی کارهای شبیهسازی در بین دو محدودیت عمده قرار دارند : دقت مطلوب و هزینه های محاسباتی. و تمامی تلاش در این زمینه جهت یافتن مسیری بهینه در بین این دو محدودیت است.

تراکم مش بندی کلید اصلی در هر شبیه سازی است که مستقیما به هزینه محاسبات مربوط است. مطالعات انجام شده بر روی این مخازن در بازه بین ۱۰۴ و ۱۰۵ حجم کنترلی را شامل شده اند. [۲]
برخی محققان اثر روش مجزاسازی را بر روی دقت پیش بینی جریان بررسی کرده اند ونشان داده اند که در اغلب موارد انتخاب روش مجزاسازی، دارای اثری کم و یا بدون اثر بر روی جوابها بوده است. [۱۶] Brucato

دو مدل (upwind Central Differencing) Hybrid Scheme و High order QUICK را بررسی کردند و متوجه شدند که سرعتهای میانگین پیش بینی شده تفاوت محسوسی ندارند. [۱۷] Aubin سه مدل مختلف را بررسی کرده و متوجه شد تغییر در این مدلها هیچ اثری بر روی سرعتهای میانگین ندارد. گرچه هر سه مدل مقدار کمتری را برای انرژی جنبشی آشفتگی پیش بینی می کردند.

مدل کردن چرخش همزن بدلیل حرکت نسبی بین پره های چرخان همزن و بافل های ساکن پیچیده است. Fluent برای حل مسائل حاوی این چارچوب مرجعهای دارای حرکت سه تخمین را ارائه میدهد : MRF، Mixing Plane model، .[۱۸] Sliding mesh
مدلهای اول و سوم دارای بیشترین کاربرد میباشند. هر دو مدل MRF و Mixing Plane model فرض

میکنند که ناحیه جریان پایدار است. این مدلها برای حالتهایی مثل و یا

که دارای بر همکنش قدرتمندی نمی باشند و یا برای حلهای تخمینی مناسب میباشند. ولی مدل SM فرض میکند ناحیه جریان غیر پایدار است و بر همکنش ها را به صورت کامل در نظر میگیرد. چون این مدل حالت

Reynolds Stress model (RSM)
سیزدهمین کنگره ملی مهندسی شیمی ایران

و اولین کنفرانس بینالمللی منطقهای مهندسی شیمی و نفت

غیر پایدار را مبنای حل خود قرار می دهد لذا دارای فرایند حل پیچیده تر و پر هزینه تری نسبت به دو مدل دیگر است.[۱۸]

مدلهای آشفتگی متفاوت و متعددی برای شبیهسازی جریانهای سیال وجود دارند. یکی از گزینهها، شبیه سازی عددی مستقیم (Direct Numerical Solution , DNS) است. این روش تمام طول های آشفتگی ( Turbulent (Length و مقیاسهای زمانی را با حل مستقیم معادلات نویر استوکس با تراکم مش بالا حل میکند.[۹] مسلما این روش بهترین روش به لحاظ دقت است. ولی از آنجایی که حل تمامی مقیاسها نیازمند مقادیر عظیمی از مش بندی و بازه های زمانی هستند، لذا از دیدگاه هزینههای محاسباتی چندان قابل توجیه نمیباشد.[۴] و علاوه بر آن شبیه سازی مستقیم مخازن همزن دار در جریان های صنعتی با Re 104 موجه نیستBartel .et.al .[10] [19] این روش را برای سیستم مشابهی در Re=7300 بااستفاده از روش S.M استفاده کردند.

مدل k- مدل آشفتگی است که برای بسیاری از جریانهای مهندسی استفاده میشود. هرچند این مدل فرض Isotropy را برای اشفتگی در نظر میگیرد. و لذا احتمالا ضعف این در پیشبینیهای کمیات آشفتگی توسط این روش مربوط به فرض مذکور میباشد. هرچند [۱۱] Deglon & Meyer در بررسیهایی که بر روی تراکم مش بندی و استفاده ازD.S متفاوت انجام دادند، بروز برخی خطا ها در پیش بینی های مدل k- به خصوص در مورد کمیات آشفتگی را به خطاهای عددی مربوط دانستند تا به معادلات حاکم در این روش.

در fluent سه مدل Standard، RNG، Realizable در زیر شاخه k- قرار میگیرند. هر دوی مدل های RNG و Realizable پیشرفت اساسی را نسبت به مدل استاندارد نشان میدهند. به خصوص در مواردی که جریان شامل انحناهای شدید خط جریان ( پیچش قوی)، ورتکس ها و گردش باشد.[۱۸]

برای جریان های آشفته سه بعدی پیچیده توصیه می شود از مدل های با فرض Anisotropic استفاده شود.[۱۰]

یکی از این روش های است.با این وجود RSM دارای نواقصی مانند

پارامترهای مدل non-Universal و سختی های عددی و هزینه محاسبات بالاتری نسبت بهk- است. علاوه بر آن RSM طبیعت وابسته به زمان جریان را در شبیهسازی در بر نمیگیرد.[۱۰] همچنین در برخی مطالعات منتشر شده برای RSM بر اساس non Isotropic turbulence انحراف بیشتری در مقایسه با مقادیر آزمایشگاهی در نمودارهای توزیع انرژی جنبشی آشفته نسبت به مدل k- مشاهده می شود. این نواقص با استفاده از مدل LES از بین می رود. Large Eddy Simulation (LES) ابتدا توسط [۲۱] Eggle مورد استفاده قرار گرفت. و مشخص گردید روش خوبی برای بررسی رفتار ناپایدار در جریان آشفته است. [۲۲] Revstedt متوجه شد مدل LES

میتواند جزییاتی از نواحی جریان را که قابل تعیین با استفاده از RANS و مدل های متناظر نمیباشد را تعیین کند. [۲۳] Darken از این مدل با Smagonisky subgrid scale برای شبیه سازی مخزن همزندار همراه با بافل که دارای پرههای از نوع راشتون است، استفاده کرد.

سیزدهمین کنگره ملی مهندسی شیمی ایران

و اولین کنفرانس بینالمللی منطقهای مهندسی شیمی و نفت

در این روش محدوده مقیاسهای حل شده به وسیله شبکه عددی کاهش مییابد. و اثر مقیاسهای زیر شبکهای حل نشده برای مقیاسهای بزرگ حل شده با استفاده از مدل مقیاس زیر شبکهای محاسبه میشوند.[۹] این روش هم چنین می تواند به طور صریح برای حل پدیدههایی که مستقیما به شرایط ناپایدار وابسته هستند بهکار برده شود. در LES تعداد محاسبات بیشتر است اما در نهایت کمتر از DNS میباشد. اما با این وجود، از دیدگاه کاربردی استفاده از LES و DNS به عنوان ابزارهای شبیه سازی به دلیل هزینههای محاسباتی بالای آنها بسیار سخت است.

هدف از ارائه این بررسی، مطالعه اثر مدل های مختلف در شبیه سازی مخازن همزن دار دارای یک پره راشتون و مقایسه نتایج حاصل با کارهای آزمایشگاهی است. انجام مقایسه با کارهای آزمایشگاهی، جهت اعتبار سنجی شبیهسازی است و در بین کارهای آزمایشگاهی انجام گرفته، بررسی [۱] Wu-Patterson به عنوان مبنای مقایسه انتخاب شده است.

شکل -۱ شکل شماتیک مخزن به همراه پره استفاده شده

جدول -۱ مشخصات مخزن همزن دار

قطر دیسک ارتفاع همزن پهنای پره ارتفاع پره ضخامت پهنای بافل
عنوان قطر (T) ارتفاع (H) از کف قطر شفت پره ها و
و همزه ها ها ها
تانک بافل ها

نسبت – H/T=1 D/T=1/3 C/T=1/3 a/D=1/4 h/D=1/4 b/D=1/4 0.01T T/10

اندازه ۱۵ ۱۵ ۱۰ ۱۰ ۲,۵ ۲ ۲,۵ ۰,۳ ۳

سیزدهمین کنگره ملی مهندسی شیمی ایران

و اولین کنفرانس بینالمللی منطقهای مهندسی شیمی و نفت

-۲ مشخصات مخزن همزن دار

مخزن مورد استفاده در این شبیه سازی یک تانک استوانه ای با قطر ۱۵ سانتی متر است ۴ .(T=15) بافل در اطراف آن به صورت طولی وجود دارند. مخزن مجهز به پره از نوع راشتون توربینی با شش تیغه است. سایر مشخصات مخزن در جدول ارائه شده است. مشخصات وارد شده کم وبیش حالت استاندارد تحقیقاتی مورد استفاده برای مخازن است و اندازه آن به حدی است که بتوان از مش بندی مناسب در آن استفاده کرد. سیال عملیاتی آب در ۲۵ درجه سانتیگراد است.

-۳ روش شبیه سازی

ساخت ژئومتری توسط Gambit 2.4 انجام گردید. شبکه محاسباتی شامل ۴۶۰,۰۰۰ سلول بوده که به صورت غیر یکنواخت توزیع شده و تتراهدرال میباشد. دانسیته مش بندی بر روی دیسک و پره و تیغه در ناحیه داخلی دارای بیشترین مقدار بوده و به تدریج بعد از آن دانسیته مش در ناحیه داخلی و سپس بالک سیال قرار می گیرند.

به عبارتی با حرکت از سمت همزن به سمت دیوارهها از تراکم مش کاسته میشود تا در بافلها مجددا مقدار افزایش مییابد. از نرم افزار Fluent 6.3 سه بعدی جهت محاسبات شبیهسازی استفاده گردید. در این نرم افزار فرمولاسیون ناپایا و Implicit درجه دوم بهکار گرفته شد. هم چنین در تمامی حالات شبیه سازی روش PRESTO! مبنای محاسبات فشاری و PISO متد محاسباتی کوپل فشار-سرعت بوده است. این الگوریتم دارای یک مرحله پیش بینی و دو مرحله تصحیح است و ممکن است به صورت یک گسترش از مدل SIMPLE

باشد. که در آن یک مرحله اضافی تصحیح کننده جهت افزایش کارایی آن استفاده شده است. در نهایت مدل PISO دارای کارایی بالاتری نسبت به SIMPLE در شبیه سازی های ناپایا است. متدهای فعال برای مومنتم برای هر حالت در جدول ارائه شده است.