شبیه سازی احتراق

تا به حال به این مساله فکر کرده اید که اجرای یک پروژه صنعتی بزرگ با هزینه های زیادی که برای آن می شود، اگر موفقیت آمیز نباشد، چه خسارات جانبی خواهد داشت؟ اگر موتورهای جنگنده ها، توربین های گاز در نیروگاه ها، مشعل ها در صنایع مختلف، خطوط انتقال سیالات، فن ها و دمنده ها و دیگر تجهیزات مرتبط با سیالات، پیش از شروع پروژه، مدلسازی نشده و توسط نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی شبیه سازی نشوند، ممکن است عیوب آن طرح مشخص نشده و در زمان اجرا باعث سقوط جنگنده، شکستن پره های توربین، انفجار یک مشعل به هنگام روشن بودن آن، هدر رفت سیالات با ارزش به دلیل ترکیدگی خطوط انتقال و دیگر مشکلات مشابه شوند. بنابراین ضرورت شبیه سازی و مدلسازی سیالات با استفاده از نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی بسیار در صنایع پر رنگ است. شبیه سازی سیالات از منظر هزینه های اقتصادی و هزینه های زمانی می تواند به مهندسان، دانشمندان و کارفرمایان پروژه های بزرگ کمک کند. پیش از استفاده از این نرم افزارها، باید بدانیم که دینامیک سیالات محاسباتی چیست و تجزیه و تحلیل جریان سیالات پیرو چه قوانینی است؟ مطالعه این مقاله که درباره کاربرد دینامیک سیالات محاسباتی در احتراق است، تنها در حدود 6 دقیقه از وقت شما را خواهد گرفت.

دینامیک سیالات محاسباتی چیست؟

Computational Fluid Dynamic یا همان CFD به یک ابزار پذیرفته برای کمک به طراحی و بهره‌ برداری از تجهیزات در صنایع مختلف تبدیل شده است. این ابزار برای استنتاج شبیه سازی توزیع جریان هم‌دما در هندسه‌های ساده‌ تر، به عنوان مثال، توزیع جریان در تجهیزات احتراق، به یک ابزار عمومی تبدیل شده است که از نظر تئوری قادر به شبیه‌ سازی پدیده‌های جریان پیچیده با توجه به هندسه و فیزیک جریان است. شبیه‌ سازی جریان‌ های واکنشی با مکانیزم‌ های واکنش پیچیده، انتقال حرارت همرفتی و تابشی، تغییرات فاز مواد مایع و تبخیر ذرات زغال سنگ در حال حاضر از قابلیت‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) هستند. با این حال، حتی امروزه نیز برخی از فرضیات وجود دارد که استفاده از یک مدل CFD را برای یک برنامه یا مشکل خاص محدود می‌کند:

• • درک محدود تئوری از فیزیک درگیر در سیستم‌های دارای واکنش: شامل عدم قطعیت در سنیتیک واکنش شیمیایی بنیادی برای سوخت‌ های پیچیده (هیدروکربن‌های بالاتر)، درک و توصیف ریاضی ویژگی اختلاط آشفته، شیمی ناهمگن پیچیده‌ تر مربوط به مایعات یا جامدات (بعنوان مثال، تشکیل دوده، کاتالیز، تبخیر قطرات چند جزئی و …)
  • عدم قطعیت خواص ترمودینامیکی: یکی از مشکلات استفاده از مدل‌ های CFD برای سیستم‌ های احتراق پیچیده مانند کوره‌ های زباله‌سوز، از نبود داده‌ های ترمودینامیکی گونه‌ های درگیر در فرآیند احتراق ناشی می‌شود. مجموعه داده‌ های موجود و پذیرفته شده در سراسر جهان شامل انواع گونه‌ های هیدروکربنی از C1 تا C10، از جمله همه رادیکال‌ های میانی است. به محض اینکه این فرآیند شامل گونه‌ های خارجی باشد، به عنوان مثال، ترکیبات گوگردی مختلف، داده‌های ترمودینامیکی در دسترس نیستند یا منابع مختلف ممکن است داده‌ های متفاوتی را ارائه دهند.
  • اختلاف زیاد در مقیاس‌ های سیستم‌ های جریان واکنش‌دهنده معمولی: برای به دست آوردن ویژگی‌های جریان انتقال مومنتوم، باید جریان را به کوچکترین اندازه مشخصه (یعنی مقیاس کولموگروف)، معمولا به ترتیب بزرگی برای اکثر جریان‌ های آزمایشگاهی، تعیین کرد. این حالت یک مشکل بزرگ برای مدل محفظه احتراق کامل ایجاد می‌کند، به گونه‌ایی که به اندازه کافی کارآمد است و برای محاسبات روی تعداد معقول رایانه در مدت زمان معقول قابل دستیابی باشد.
  • عدم قطعیت شرایط مرزی: برای طیف وسیعی از کاربردها، شرایط مرزی دقیق ناشناخته است و فقط می‌ توان آن را به عنوان یک تخمین ارائه کرد. یک مثال که می‌ توان یک مدل CFD از شعله‌ های زمینی باشد که در معرض شرایط محیطی با شرایط متفاوت برای سرعت باد و جهت باد قرار گرفته است، نام برد. داده‌ها را می‌ توان برای مقادیر میانه‌ ای که توسط ایستگاه‌ های اندازه‌گیری مجزا مانند ایستگاه‌ های هواشناسی در فرودگاه‌ ها ثبت می‌شود، به دست آورد، اما شرایط محلی، همچنین تحت تاثیر زمین اطراف، ناشناخته باقی می‌ماند.

مثالی از آن در ادامه نشان داده شده است و بترتیب داده‌های توپوگرافی اصلی و نمایش در یک مدل CFD را نشان می‌دهد. رنگ آبی مقدار پایین‌تر را نشان می‌دهد. رنگ قرمز نشان دهنده سطوح بالاتر است.

نمایش داده‌های توپوگرافی در یک مدل دینامیک سیالات محاسباتی CFD (رنگ آبی سطح پایین‌تر، رنگ قرمز سطح بالاتر) و حالت واقعی

کد CFD یا یک مدل فرعی خاص برای این کد دارای سه زمینه است:

1. توسعه یک کد CFD در نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی یا مدل فرعی خاص نیاز به درک پدیده های فیزیکی درگیر در هر فرآیند دینامیک سیال دارد.
2. فیزیک “دنیای واقعی” پدیده‌ های جریان باید به روابط ریاضی تفسیر شود. توسعه دهنده یک مدل (یا مدل فرعی) CFD باید رابطه عملکردی یا پارامتری بین علت و معلول را بیابد.
3. با توجه به پیچیدگی ریاضیات غیر خطی، معادلات حاکم که پدیده جریان را توصیف می‌کنند، باید با استفاده از الگوریتم‌ های عددی حل شوند تا آن‌ ها را برای کامپیوتر سازگار کند.

خطا در هر یک از موارد فوق به پیش‌بینی‌های اشتباه تبدیل می‌شود و عدم درک محدودیت‌های هر یک می‌تواند منجر به نتیجه‌گیری‌ های نادرست و نتایج بالقوه فاجعه آمیز شود. برای استفاده بهینه، یک مهندس با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی باید فیزیک، ریاضیات و رویکرد عددی را درک کند تا تعیین کند که آیا نتایج صحیح به دست می‌آید یا خیر. علاوه بر این، دانش در مورد برنامه‌ای که باید مدل‌سازی شود برای تعیین اینکه آیا نتایج در چارچوب آن صحیح هستند یا خیر، بسیار مهم است. در صورت استفاده مناسب، CFD می‌تواند به کاهش زمان چرخه توسعه کمک کند، بطور بالقوه کارایی یک فرآیند را بهبود بخشد، یا طول عمر تجهیزات را افزایش دهد. شکل زیر نمونه‌ای از استفاده از شبیه سازی و کاربرد آن در توسعه مشعل است. در پروژه‌ای مانند این، نتایج حاصل از دنیای واقعی، از طریق اندازه‌گیری در یک کوره آزمایشی و نتایج حاصل از نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی می‌توانند مکمل یکدیگر باشند که منجر به زمان توسعه کوتاه‌تر می‌شود.

نمای نزدیک از یک مشعل در یک کوره آزمایشی و کانتور دما حاصل از نتایج شبیه سازی عددی فرآیند احتراق

سعی بر آن است که در مقالات ارائه شده در این بخش از سایت به بحث و بررسی در حیطه مبانی احتراق، دینامیک سیالات محاسباتی، روش‌های حل مساله و پس پردازش مساله بپردازیم.

مبانی احتراق

در این بخش از سایت انجمن متخصصین احتراق به بحث و بررسی مدل‌سازی شیمی احتراق در کاربردهای احتراقی پرداخته شده است. تمرکز این بخش بر روش‌هایی است که برای مدل‌سازی برهمکنش تلاطم جریان با شیمی احتراق استفاده می شود. این مباحث برگرفته از آخرین تحقیقات به عمل آمده در حوزه احتراق است.

دینامیک سیالات محاسباتی

همه کدهای CFD از پس زمینه‌های مشابه براساس الگوریتم معادلات فشار نیمه ضمنی (SIMPLE) و صریح تکامل یافته‌اند، که مجموعه‌ای از معادلات دیفرانسیل جزئی جفت شده غیر خطی (PDE) را حل کرده و بقای جرم، تکانه و انرژی را توصیف می‌کنند.

روش‌های حل مسئله

مرحله پیش پردازش یک مسئله شامل تمام مراحل از تعریف اولیه مسئله تا آغاز محاسبات است. در مسائل معمولی، شامل ایجاد هندسه، تولید مش، انتخاب مدل، مشخصات ویژگی سیال و فعال کردن و تنظیم زیر مدل‌های مناسب است. در این مرحله باید دامنه هندسه مورد مطالعه در نظر گرفته شود. در بسیاری از موارد، تعیین محل قرار دادن مرزهای بیرونی یک مدل CFD دشوار است. شرایط جریان باید در تمام ورودی‌ها مشخص باشد. بنابراین، برای مثال، قرار دادن یک ورودی جریان در پایین دست یک زانویی احتمالا انتخاب نامناسبی خواهد بود زیرا دانستن پروفیل‌های سرعت و فشار در چنین مکانی دشوار است. اگر در مسئله انتقال حرارت وجود دارد باید این پارامتر مورد توجه قرار گیرد. تعیین شرایط مرزی حرارتی معمولا دشوار است و به بینش فیزیکی قابل توجهی در یک مسئله نیاز دارد.

پس پردازش

تولید نمودارهای دو بعدی (به عنوان مثال، دما برحسب موقعیت در امتداد خط مرکزی مشعل)،کانتورهای دما، فشار، سرعت و غیره، خطوط جریان، ترکیب‌ اجزا و انیمیشن‌های این خروجی‌ها برای تحلیل‌گر لازم است تا نتایج یک شبیه سازی را درک کند. تولید انواع مختلف خروجی در ارتباط با نتایج یک شبیه سازی بسیار مهم می‌شود. بسته‌های پس پردازش کنونی قابلیت اضافه کردن نور به مدل را دارند که تصاویر را برای بیننده واقعی‌تر می‌کند.