دانلود پایان نامه ارشد:شبیه سازی جریان درون شیر کنترلی به کمک نرم افزار CFD

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته :مهندسی مکانیک

گرایش :تبدیل انرژی

عنوان : شبیه سازی جریان درون شیر کنترلی به کمک نرم افزار CFD 

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد شهر مجلسی

پایان‌نامه کارشناسی ارشد رشته مکانیک

گرایش:

مهندسی مکانیک – تبدیل انرژی

عنوان:

شبیه سازی جریان درون شیر کنترلی به کمک نرم افزار CFD 

استاد راهنما:

دکتر افشین احمدی ندوشن

استاد مشاور:

دکتر غلامحسین منتظری

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)فهرست مطالبچکیده: 1فصل اول (مقدمه) 21-۱- مقدمه  21-2- بیان مسئله  21-3- اهداف: 31-4- مدل مطالعه: 31-5- روش کار  31-5-1- طراحی و مدلسازی شیر کنترلی   41-5-2- مدلسازی سیالاتی شیر کنترلی   41-6- نتیجه گیری کلی   61-7- ساختار پایان نامه: 7فصل دوم (پیشینه تحقیق) 82-1- مقدمه  82-2- پیشینه تحقیق: 103-2- انواع شیرهای صنعتی و کاربرد آنها 123-2-1- شیر دروازه ای (Gate Valve) 123-2-2- شیر توپی Ball Valve) ) 132-2-3- شیر مجرابند سماوری (Cock Valve) 142-2-4- شیر ساچمه ای Globe Valve)) 152-2-5- شیر یک طرفه  (Check Valve) 162-2-6- شیر پروانه ای Butter fly Valve)) 172-2-7- شیر ایمنی (Safety Valve) 182-2-8- شیر کنترلی (Control Valve): 192-2-9- شیر محدود کننده جریان  (Chock Valve) 202-2-10- شیر سوزنی (Needle Valve) 202-2-11- شیر زاویه ای (Angle Valve) 202-3- نحوه انتخاب شیرها 212-4- مهمترین کاربرد شیرها: 212-4-1- قطع و وصل کردن جریان   212-4-2- تنظیم یا کنترل جریان   212-4-3- جلوگیری از برگشت جریان   222-4-4- کاهش دادن فشار یک سیستم   222-5- جریان عبوری از شیرها Flow Through Valves  232-5-1- ضریب مقاومت ζ  232-5-2- ضریب شیر و مقدار جریان   282-5-3- رابطه متقابل بین ضرایب مقاومت و جریان   312-6- پدیده کاویتاسیون در شیرها 31فصل سوم (شیرهای کنترلی) 333-1- مقدمه  333-1-1- تعریف شیر کنترل: 333-2- تاریخچه شیر کنترل: 343-3- انتخاب شیرهای کنترل: 353-4- نحوه عملکرد شیر کنترل   353-5- اصطلاحات فنی(Terminology) شیر کنترل   363-6- انواع شیرهای کنترلی   383-6-1- از نظر نوع کنترل جریان : 383-6-2- از نظر مسیر  383-6-3- از نظر عملکرد  403-7- شیرهای با محور چرخان(Rotary Shaft) 423-8- خطا ـ ایمن (Fail Safe) 433-9- مشخصات جریان عبوری برای شیرهای کنترل   443-10- متعلقات شیر کنترل   463-10-1- اکچویتورها یا محرک ها (Actuators) : 463-10-2- پوزیشنر در شیر کنترل (Positioner) : 473-10-3- سوئیچ های محدودکننده(Limit Switches) : 493-10-4- شیرهای سولونوئید(Solenoid Valves) : 493-10-5- رله های معکوسAir Lock (Lock up Relay) : 493-10-6- مبدل ها(Transducers) 493-10-7- شیرهای حبسی(Lock up Valves) 503-10-8- رله های تقویت کننده (بوستر)Booster Relays and Amplifier : 503-10-9- مخازن ظرفیت(Capacity Tanks) 503-10-10-چرخ دستی های قابل نصب ازبالا وپهلو (Hand Wheel Actuators): 503-10-11- رگولاتورهای تغذیه فشار با فیلتر و تله رطوبت (Moisture Trap): 503-11- سایزینگ شیرهای کنترل (Sizing) 513-12- کاویتاسیون (Cavitation) در شیرهای کنترل: 523-13- Flashing: 53فصل چهارم (آشنایی بر روند انجام کار مدلسازی و شبیه سازی جریان با CFD) 554-1- مقدمه: 554-1-1- تاریخچه CFD: 554-1-2- ریاضیات CFD: 564-1-3- کاربردهای CFD: 584-1-4- روش شناسیCFD   594-2- آشنایی با نرم افزار ANSYS : 614-3- ساختار نرم افزار  ANSYS CFX   624-3-1- محیط Geometry یا Design Modler : 624-3-2- محیط Meshing : 634-3-3- محیط Setup یاCFX-Pre  : 634-3-4- محیط Solution یاCFX-Solver  : 644-3-5- محیط Results یاCFD-Post  : 644-4- نحوه گسسته سازی و حل معادلات جریان: 644-4-1- گسسته سازی عددی: 664-4-2- استراتژی حل: 694-4-3- حل معادله خطی   704-5- آشنایی با نرم افزار CATIA   714-6- خاصیت جریان شیر کنترلی   734-6-1- انتخاب صحیح خاصیت جریان   744-6-2- روش طراحی شیر کنترلی   744-7- طراحی شیر کنترلی با نرم افزار CAD   754-7-1- شیر کنترلی "8 موجود در منطقه آغار بعنوان نمونه: 754-7-2- شیر کنترلی "8 به عنوان مدل با مقیاس 1 به 10: 774-7-3- طراحی و مدلسازی شیر کنترلی "3 : 784-8- آشنایی با گاز طبیعی: 864-8-1- مشخصات گاز طبیعی : 864-8-2-  انواع گاز طبیعی   86فصل پنجم (مراحل شبیه سازی جریان درون شیرکنترلی با نرم افزار CFX) 875-1- مقدمه  875-1-1- مدل المان محدود: 875-1-2- شرایط مرزی   875-1-3- روشهای حل   885-2- مراحل انجام شبیه سازی: 895-2-1- شبیه سازی جریان درون Cage: 895-2-2- شبیه سازی جریان درون بدنه شیر کنترلی: 109فصل ششم (جمع بندی و مقایسه نتایج تحلیل و ارائه راهکار) 1226-1- مقدمه  1226-2- جمع بندی و مقایسه نتایج تحلیلی از نرم افزار  1226-2-1- اعتبارسنجی نتایج: .................1226-3-بررسی نویز درشیرهای کنترلی وروشهای کاربردی جهت کاهش آن   1246-3-1- استانداردهای نویز در شیر کنترل   1246-3-2 معرفی روش بیان شدت صدای تولید شده  1256-3-3- مراحل پیش بینی نویز  1266-3-4 روشهای کاهش صدای تولید شده در شیر  1276-4- نتیجه گیری   1326-5- پیشنهاد های ادامه پروژه  133منابع.. 134چکیده:     یکی از مهمترین مؤلفه های سیستمهای انتقال سیالات، شیرهای کنترلی می باشند که در مسیرهای مختلف خطوط لوله انتقال نفت و گاز و .... به چشم می خورد. در شیرهای کنترلی مهمترین مسأله، خاصیت جریان به منظور دستیابی به رفتار مناسب شیر، جهت کنترل دبی یا فشار جریان عبوری می باشد. در این پایان نامه یک شیر کنترلی با خاصیت جریان مناسب به منظور کاهش لرزش و سروصدای شدید طراحی و مدلسازی و سپس شبیه سازی شده است. بدین منظور با استفاده از مدلسازی سیالاتی شیر کنترلی، رفتار جریان در داخل شیر بوسیله حل عددی در نرم افزار CFX شبیه سازی می گردد تا به کمک نتایج تحلیلی بتوان علاوه بر یک پروفیل داخلی مناسب برای شیر کنترلی، آن را به گونه ای طراحی نمود که از لحاظ دبی عبوری و خاصیت اعمال شده به شیر پاسخگوی نیاز مورد نظر باشد. و در حد امکان از ایجاد نویز و لرزش زیاد جلوگیری نمود. در این پایان نامه پروفیل داخلی یک نمونه شیر با خاصیت کنترلی مشخص، در نرم افزار Catia طراحی شده و سپس بوسیله نرم افزار CFX بررسی و تحلیل شده است. جهت کنترل صحت نتایج مدلسازی، نتایج بدست آمده با اطلاعات ارایه شده در محل نصب آن روی یکی از خطوط لوله گاز ناحیه آغار مقایسه و بررسی می گردد. که نتایج حاصله از شبیه سازی جریان در چند حالت مختلف بررسی گردید و مشخص گردید که نتایج نرم افزار در Cage حداکثر 2% و برای پروفیل داخلی بدنه شیر حداکثر 5% با نمونه اصلی تفاوت دارد. که قابلیت کنترل دبی با توجه به الگوی مشخص شده را دارا می باشد. همچنین جهت کاهش نویز نیز پس از بررسی ها مشخص گردید که صدای تولید شده در شیرهای کنترلی ناشی از عبور سیال از گلوگاه، کاویتاسیون، فلشینگ و ارتعاشات خط لوله است. صدای هیدرودینامیکی با پدیده هایی مانند کاویتاسیون و فلشینگ تشدید می شود. که سطح فشار صدا بوسیله عوامل محیطی افزایش و یا کاهش می یابد. مهمترین عامل افزایش سطح صدا در محیط وجود سطوح سخت منعکس کننده صدا است که معمولاً هر سطح حدود 3 دسی بل سبب افزایش سطح فشار صدا می شود. فصل اولمقدمه1-۱- مقدمه     شیرهای کنترلی بصورت وسیعی در زمینه های مختلف صنعتی از جمله صنایع نفت و گاز، نیروگاهها، پتروشیمی و سیستم های انتقال آب استفاده می شوند. این شیرها دارای انواع مختلفی می باشند که از آن جمله می توان به شیرهای نوع کروی (Glob)، توپی (Ball)، پروانه ای (Butterfly) و پلاگی(Plug) اشاره کرد. هدف از مدلسازی سیالاتی شیر کنترلی، شبیه سازی رفتار جریان در داخل شیر با استفاده از نرم افزار CFX است تا به کمک نتایج آن بتوان یک پروفیل داخلی مناسب برای شیر کنترلی به گونه ای طراحی نمود که از لرزش و ایجاد نویز و سروصدای بیش از حد در شیر جلوگیری کند. بعلاوه با استفاده از مدلسازی می توان از ایجاد افت فشار بیش از حد در شیر جلوگیری کرد و در واقع از آسیب احتمالی شیر کنترلی اعم از سایش و خوردگی پیشگیری نمود. به عبارت دیگر استفاده از مدلسازی سیالاتی کمک می کند که به جای صرف هزینه و وقت زیاد برای انجام آزمایش های تجربی، رفتار سیال را در داخل شیر پیش بینی کرده و به بهینه سازی پارامترهای طراحی پرداخت.1-2- بیان مسئله    مطابق تعریف مندرج در استاندارد ابزار دقیق امریکا، شیر کنترل وسیله ای است که با اعمال نیرویی غیر از نیروی دست عمل می نماید و میزان جریان سیال را در یک سیستم کنترل فرایندی تنظیم می کند، شیر کنترل شامل یک شیر است و به یک مکانیزم محرکه، که توانائی تغییر عنصر کنترل کننده سیال را دارد متصل می باشد. این تغییر بر مبنای سیگنالی است که از سیستم کنترل دریافت می کند. لذا با توجه به سر و صدای زیاد و لرزش شدید در یکی از شیرهای کنترلی جریان گاز (FCV) منطقه پارسیان، ما را بر آن داشت که با مدل کردن جریان درون شیر توسط نرم افزار CFX و شبیه سازی جریان درون آن بتوانیم تحلیل دقیق تری از نیروها و تنش های اعمالی در مورد قسمتهای مختلف شیر داشته باشیم تا بتوانیم علاوه بر بهینه سازی شرایط کاری، مساله نویز را نیز بررسی و در صورت امکان کاهش دهیم. که اولین قدم طراحی و مدلسازی شیر کنترلی و سپس شبیه سازی رفتار جریان درون شیر کنترلی و در نهایت بهینه سازی و ارائه راهکار می باشد. لذا با توجه به در دسترس بودن اطلاعات یک شیر کنترلی 3 اینچ از نوع کروی (Globe) با عملگر پنوماتیکی  و خاصیت خطی طبق استاندارد  ANSI 2500 به منظور کنترل دبی گاز چاه 10 آغار با طراحی و مدلسازی آن و سپس شبیه سازی جریان درون آن به بررسی پارامترهای مورد نظر پرداختیم.1-3- اهداف:    جهت کاهش لرزش و سروصدا در شیرهای کنترلی و کنترل نویز میتوان بر روی منبع یا روی مسیر و یا بر روی هر دوی آنها تغییراتی اعمال کرد. کنترل نویز در محل منبع، بهترین روش کنترل آن است البته به شرطی که از لحاظ فیزیکی و اقتصادی ممکن باشد. یکی از راههای متداول برای کنترل نویز در محل منبع ایجاد نویز، استفاده از تریمهای مخصوص است. این نوع تریم با داشتن شیارهای باریک و متعدد اغتشاش جریان را تا حد ممکن کاهش می دهد و توزیع مطلوب سرعت را فراهم می کند. که جهت رسیدن به این نتایج و بدست آوردن توزیع سرعت می بایستی جریان درون شیر کنترلی را به کمک یکی از نرم افزارها شبیه سازی کرد تا بتوانیم تحلیل دقیقتری از نیروها و تنش های اعمالی در مورد قسمتهای مختلف شیر داشته باشیم و سپس مساله نویز را نیز بررسی کرده و در صورت امکان کاهش دهیم. که جهت انجام کار اولین قدم طراحی و مدلسازی شیر کنترلی و سپس شبیه سازی رفتار جریان درون شیر کنترلی و در نهایت بهینه سازی و ارائه راهکار می باشد.1-4- مدل مطالعه:     شیر کنترلی مورد نظر جهت انجام شبیه سازی جریان درون آن یک شیر کنترلی 3 اینچ از نوع کروی (Globe) با عملگر پنوماتیکی  و خاصیت خطی طبق استاندارد  ANSI 2500به منظور کنترل دبی گاز چاه 10 آغار می باشد که در یک زمان خاص تحت فشار ورودی  Bar5/187 و فشار خروجی Bar 155 دمای ورودی 07/61 درصد باز بودن شیر کنترلی 29% و دبی خروجی از شیر    847/20 و سیال عامل گاز متان با 45/18   می باشد.1-5- روش کارروش پیاده شده در پایان نامه شامل دو قسمت اصلی طراحی و مدلسازی شیر کنترلی و شبیه سازی رفتار جریان درون شیر کنترلی با استفاده از دو نرم افزار Catia و Ansys CFX می باشد.1-5-1- طراحی و مدلسازی شیر کنترلیطراحی تجهیزات مکانیکی را میتوان به دو دسته اصلی طراحی مستقیم و طراحی به روش مهندسی معکوس دسته بندی نمود. در این پروژه، به دلیل در اختیار بودن نمونه شیر کنترلی، طراحی Cage از روش فرایند مهندسی معکوس و طراحی مسیر عبور جریان درون بدنه از روش طراحی مستقیم بهره گیری شده است. که با توجه به مستندات و استانداردهای مرتبط با شیرهای کنترلی، مقایسه و سپس Cage آن بصورت مستقیم با نرم افزار Catia طراحی و مسیر عبور جریان درون شیر پس از چندین مرحله سعی و خطا طراحی گردید. و سپس به محیط Design Modler نرم افزار Ansys CFX انتقال داده شد که از بین آنها نتایج چند مدل مهمتر درفصل 4 و 5 به تفصیل آورده شده است.1-5-2- مدلسازی سیالاتی شیر کنترلیبرای تحلیل سیالاتی شیر کنترلی از نرم افزار Ansys CFX استفاده شده است و شکل کلی شیر که با نرم افزار Catia طراحی شده را پس از انتقال به محیط Ansys CFX و جداسازی مسیر عبور سیال در محیط Desigen Modler و همچنین در مواردی نیز بدلیل داشتن تقارن نسبت به محور YZ از حالت Symmetry استفاده شده و پس از انجام عملیات یکسان سازی وارد محیط Meshing می کنیم. و با توجه به اینکه نرم افزار Ansys CFX خود شامل چندین محیط می باشد و در هر محیط نیز باید کارهای مربوط به همان محیط را انجام داد بنابراین روش انجام کار در محیط های مختلف به شرح ذیل می باشد.1-5-2-1- مدل المان محدودمدل طراحی شده در Catia وارد محیط CFX  می شود و در آنجا قسمت داخلی شیر (در واقع حجم کنترل) جدا شده و سپس این حجم کنترل وارد محیط ایجاد شبکه محاسباتی (Meshing) می گردد. در این محیط اندازه اولیه المانهای حجمی جسم و همچنین عملیاتی مانند ریزکردن المانهای یک ناحیه خاص انجام می گیرد. بعلاوه در دیواره های نزدیک سطوح مرزی (با توجه به اینکه سرعت تغییرات در نواحی نزدیک سطوح مرزی بالاست) المان منظم تری ایجاد می گردد. و در چندین حالت مختلف جریان گذرنده از درون Cage و مسیر عبور جریان از درون بدنه را بررسی می کنیم.1-5-2-2- شرایط مرزیبا توجه به فیزیک مساله، شرایط مرزی مناسب یکی از سه حالت، اعمال فشار در ورودی و دبی در خروجی، فشار در خروجی و ورودی (اختلاف فشار ورودی و خروجی) و اعمال دبی در ورودی و فشار در خروجی می باشد. از آنجایی که شکل قفس از روش مهندسی معکوس بدست آمده و جهت بررسی نتایج نرم افزار و مقایسه با شرایط کارکرد واقعی، شرایط مرزی مطلوب، اعمال فشار در ورودی و خروجی می باشد تا دبی بدست آمده با دبی شرایط کارکرد، مقایسه گردد و سپس همان شرایط را برای شکل داخلی شیر که از فرآیند طراحی حاصل شده است، اعمال می کنیم و با توجه به افت فشار ایجاد شده، مقدار دبی را بدست می آوریم.1-5-2-3- روشهای حلبا توجه به در اختیار نبودن اطلاعات کامل شیر کنترلی از شرکت سازنده، مراحل انجام کار را با نمونه بسته شده در مسیر جریانی گاز آغار بررسی و اطلاعات بدست آمده را با داده های خروجی از آن مقایسه گردید. همچنین با توجه به اینکه یکی از اهداف مدلسازی سیالاتی شیر کنترلی، بدست آوردن نمودار عملکرد شیر (نمودار دبی بر اساس درصد بازشدگی) می باشد و این نمودار توسط شرکتهای سازنده تحت افت فشار ثابت ارایه می شود. بنابراین در اینجا نیز فشار ورودی و خروجی، در هر مرحله به شیر اعمال می گردد و توسط CFX دبی عبوری در درصد بازشدگی مورد نظر تحت افت فشار مشخص شده بدست می آید. همچنین در اکثر تحلیل های انجام شده با توجه به موقعیت قرارگیری قفس در داخل شیر، یکبار در حالت کامل و یکبار از تقارن مدل نسبت به صفحه YZ با توجه به شکل استفاده گردیده است و بقیه سطوح خارجی شیر نیز بعنوان دیواره در نظر گرفته شده است.در مورد شرایط مرزی ورودی و خروجی شیر، با توجه به گزینه های موجود در محیط CFX، در ورودی فشار کل و در خروجی فشار استاتیکی به شیر اعمال می گردد. این مقادیر بر اساس فشارهای دو طرف شیر کنترلی انتخاب شده است که این مقدار اختلاف فشار در حالت کارکرد با توجه به دما و فشار گاز در ساعات مختلف مقادیر مختلفی است که برای بدست آوردن دبی و مقایسه کردن با آن در یک زمان خاص و تحت شرایط یکسان دما و فشار، دبی را مقایسه می کنیم. و سپس با توجه به شرایط کاری در هر مرحله پس از انجام عملیات با این شرایط مقایسه گردیده است.همچنین با فرض ناچیز بودن تغییرات دمایی در شیر نوع فرآیند همدما (Isothermal) و دمای فرآیند 61 درجه سانتیگراد انتخاب شده است. جریان در داخل شیر، مغشوش در نظرگرفته شده و این جریان مغشوش با استفاده از معادلات مدلk-ε  بیان شده است.همانطور که گفته شد Cage و مسیر عبور جریان در بدنه طراحی شده را در حالتهای مختلف بازشدگی، و هر کدام با چندین مرحله مش درشت و ریزتر بررسی گردید و سپس نتایج حاصله مقایسه گردید. همچنین برای بدست آوردن نمودار عملکرد شیر برای هر مدل شیر طراحی شده به ازای بازشدگی از 0 تا 100 درصد (به ازای بازه های 10 درصدی) می بایستی مقدار دبی توسط  CFX مشخص گردد. و در مقادیر مختلف بازشدگی، مقدار دبی بدست آمد و نمودار عملکرد شیر ترسیم گردید و با نمودار عملکرد شیر اصلی مقایسه گردید.تعداد صفحه : 153قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09309714541 (فقط پیامک)        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  -- --

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید