عنوان
مدل‌سازي و شبيه‌سازي سه بُعدي رفتار جريان گاز درون ماشين سانتريفيوژ گازي با استفاده از روش DSMC
نويسنده اصلي
باصيري، صبا
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
مقطع تحصيلي
دكتري
چكيده
در اين رساله مدل‌سازي و شبيه‌سازي سه بُعدي رفتار گاز، به منظور بررسي پارامترهاي جريان و جداسازي درون يك روتور سانتريفيوژ گازي با استفاده از روش شبيه‌سازي مستقيم مونت كارلو (DSMC) انجام شده است. به دليل سرعت دوراني بسيار بالاي روتور سانتريفيوژ، بخش عمده‌اي از جريان در نزديكي ديواره روتور قرار گرفته و در نتيجه در ناحيه محور روتور، تراكم مولكولي كمتري حاصل مي‌شود. در ناحيه محور، عدد نودسن بيشتر و مساوي 10 مي‌باشد و رژيم كاملاً مولكولي برقرار است، بنابراين لحاظ فرض پيوستگي و حل معادلات ناوير استوكس توسط روش ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) معتبر نمي‌باشد. از طرفي معادله بولتزمن، در تمامي رژيم‌هاي جريان معتبر است. اما به دليل غيرخطي بودن و پيچيدگي عبارت‌هاي انتگرال برخورد و چند بُعدي بودن عبارت دانسيته ذرات بر حسب مكان، سرعت و زمان در معادله بولتزمن، استفاده مستقيم از معادله بولتزمن براي گاز‌هاي رقيق دشوار و پيچيده مي‌باشد؛ لذا از روش DSMC استفاده مي‌شود. با حذف بُعد دوراني در پژوهش‌هاي انجام شده با استفاده از شبيه‌سازي در شرايط دو بُعدي، هندسه اسكوپ و نقطه تزريق خوراك به صورت ديسك در نظر گرفته شده است. در حالت واقعي، نقطه تزريق خوراك در يك ماشين سانتريفيوژ به صورت يك حفره دايره‌اي شكل روي سطح جانبي لوله گاز رساني مي‌باشد، اما به دليل در نظر گرفتن شرايط متقارن محوري در حالت دو بُعدي، اين نقطه به صورت يك ديسك متصور شده و گاز از كل فضاي ديسك به داخل روتور تزريق مي‌گردد. هندسه اسكوپ نيز در واقعيت به صورت يك لوله ساكن خم شده مي‌باشدكه در شبيه¬سازي¬هاي دو بُعدي به صورت يك ديسك چرخان با سرعت مشخص متصور شده است.
به منظور بررسي استقلال شبكه در اين پژوهش، شبيه‌سازي با تعداد سلول‌هاي مختلف انجام شد. با بررسي شبكه‌هاي مختلف، شبكه با تعداد 7375675 سلول، براي شبيه‌سازي و تحليل نتايج انتخاب شد.
در اين پروژه براي اولين بار مقدار نيروي درگ حاصل از حل جريان، براي اسكوپ محصول (برابر با 2140 دين) و پسماند (برابر با 1860 دين) تعيين شد. در نتيجه با هدف طراحي توسط ميزان نيروي درگ حاصل از فرم اصلي اسكوپ، امكان تعيين ميزان گشتاور مجاز در جهت عدم خروج روتور از محور چرخش، تعيين جنس و ضخامت اسكوپ و ... با استفاده از شبيه¬سازي حاضر فراهم گرديد. از ميزان نيروي درگ تعيين شده به منظور ورودي به شبيه¬سازي در شرايط دو بُعدي با هدف بهينه¬سازي نيز مي¬توان استفاده كرد.
با بررسي پروفايل¬هاي فشار و دما در نواحي اسكوپ مشخص شد كه فشار و دماي موضعي در ورودي اسكوپ محصول از اسكوپ پسماند بيشتر مي‌باشد. اين موضوع متاثر از نزديكي اسكوپ به ديواره روتور و به تبع آن بيشتر بودن ميزان نيروي درگ اسكوپ محصول نسبت به پسماند است. در نتيجه در طراحي جنس و ضخامت مجاز اسكوپ¬ها، اسكوپ محصول بايد مبنا قرار گيرد. اين در حالي است كه در شرايط دو بُعدي نيروي درگ اسكوپ محصول به عنوان عامل بي تاثير بر مقدار توان جداسازي تلقي شده و اين اثر ناديده گرفته مي¬شود. در صورتي كه در نتايج سه بُعدي مشاهده گرديد كه اين اسكوپ، بر برگشت جريان به محفظه جداسازي و به دنبال آن بر توان جداسازي ماشين تاثيرگذار مي¬باشد. اختلاف ميزان نيروي درگ براي شرايط سه بُعدي و شرايط دو بُعدي با روش CFD، برابر با 17/23 درصد، با روش DSMC برابر با 16/20 درصد و با روش تركيبي CFD-DSMC برابر با 28/28 درصد تعيين شد.
مقادير پارامترهاي جداسازي شامل ضريب جداسازي، ضريب غني‌سازي و ضريب تهي‌سازي در اين رساله به ترتيب برابر با 438/1، 199/1 و 199/1 به دست آمدند. مقدار اختلاف توان جداسازي در نمونه آزمايشگاهي و شبيه‌سازي برابر 3/4 درصد بود كه اين مقدار نشان‌دهنده صحت و مطابقت اين شبيه¬سازي با داده‌هاي تجربي مي‌باشد.
شماره ركورد
229876
گرايش رشته تحصيلي
ندارد
دانشكده
مهندسي شيمي
دانشگاه
دانشگاه صنعتي اصفهان