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 كارشناسی 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 مطالب

چکیده: 1

فصل اول (مقدمه) 2

1-۱- مقدمه  2

1-2- بیان مسئله  2

1-3- اهداف: 3

1-4- مدل مطالعه: 3

1-5- روش کار  3

1-5-1- طراحی و مدلسازی شیر کنترلی   4

1-5-2- مدلسازی سیالاتی شیر کنترلی   4

1-6- نتیجه گیری کلی   6

1-7- ساختار پایان نامه: 7

فصل دوم (پیشینه تحقیق) 8

2-1- مقدمه  8

2-2- پیشینه تحقیق: 10

3-2- انواع شیرهای صنعتی و کاربرد آنها 12

3-2-1- شیر دروازه ای (Gate Valve) 12

3-2-2- شیر توپی Ball Valve) ) 13

2-2-3- شیر مجرابند سماوری (Cock Valve) 14

2-2-4- شیر ساچمه ای Globe Valve)) 15

2-2-5- شیر یك طرفه  (Check Valve) 16

2-2-6- شیر پروانه ای Butter fly Valve)) 17

2-2-7- شیر ایمنی (Safety Valve) 18

2-2-8- شیر كنترلی (Control Valve): 19

2-2-9- شیر محدود كننده جریان  (Chock Valve) 20

2-2-10- شیر سوزنی (Needle Valve) 20

2-2-11- شیر زاویه ای (Angle Valve) 20

2-3- نحوه انتخاب شیرها 21

2-4- مهمترین کاربرد شیرها: 21

2-4-1- قطع و وصل کردن جریان   21

2-4-2- تنظیم یا کنترل جریان   21

2-4-3- جلوگیری از برگشت جریان   22

2-4-4- کاهش دادن فشار یک سیستم   22

2-5- جریان عبوری از شیرها Flow Through Valves  23

2-5-1- ضریب مقاومت ζ  23

2-5-2- ضریب شیر و مقدار جریان   28

2-5-3- رابطه متقابل بین ضرایب مقاومت و جریان   31

2-6- پدیده كاویتاسیون در شیرها 31

فصل سوم (شیرهای کنترلی) 33

3-1- مقدمه  33

3-1-1- تعریف شیر کنترل: 33

3-2- تاریخچه شیر كنترل: 34

3-3- انتخاب شیرهای کنترل: 35

3-4- نحوه عملکرد شیر کنترل   35

3-5- اصطلاحات فنی(Terminology) شیر کنترل   36

3-6- انواع شیرهای کنترلی   38

3-6-1- از نظر نوع کنترل جریان : 38

3-6-2- از نظر مسیر  38

3-6-3- از نظر عملکرد  40

3-7- شیرهای با محور چرخان(Rotary Shaft) 42

3-8- خطا ـ ایمن (Fail Safe) 43

3-9- مشخصات جریان عبوری برای شیرهای کنترل   44

3-10- متعلقات شیر کنترل   46

3-10-1- اکچویتورها یا محرک ها (Actuators) : 46

3-10-2- پوزیشنر در شیر کنترل (Positioner) : 47

3-10-3- سوئیچ های محدودکننده(Limit Switches) : 49

3-10-4- شیرهای سولونوئید(Solenoid Valves) : 49

3-10-5- رله های معکوسAir Lock (Lock up Relay) : 49

3-10-6- مبدل ها(Transducers) 49

3-10-7- شیرهای حبسی(Lock up Valves) 50

3-10-8- رله های تقویت کننده (بوستر)Booster Relays and Amplifier : 50

3-10-9- مخازن ظرفیت(Capacity Tanks) 50

3-10-10-چرخ دستی های قابل نصب ازبالا وپهلو (Hand Wheel Actuators): 50

3-10-11- رگولاتورهای تغذیه فشار با فیلتر و تله رطوبت (Moisture Trap): 50

3-11- سایزینگ شیرهای کنترل (Sizing) 51

3-12- کاویتاسیون (Cavitation) در شیرهای کنترل: 52

3-13- Flashing: 53

فصل چهارم (آشنایی بر روند انجام کار مدلسازی و شبیه سازی جریان با CFD) 55

4-1- مقدمه: 55

4-1-1- تاریخچه CFD: 55

4-1-2- ریاضیات CFD: 56

4-1-3- کاربردهای CFD: 58

4-1-4- روش شناسیCFD   59

4-2- آشنایی با نرم افزار ANSYS : 61

4-3- ساختار نرم افزار  ANSYS CFX   62

4-3-1- محیط Geometry یا Design Modler : 62

4-3-2- محیط Meshing : 63

4-3-3- محیط Setup یاCFX-Pre  : 63

4-3-4- محیط Solution یاCFX-Solver  : 64

4-3-5- محیط Results یاCFD-Post  : 64

4-4- نحوه گسسته سازی و حل معادلات جریان: 64

4-4-1- گسسته سازی عددی: 66

4-4-2- استراتژی حل: 69

4-4-3- حل معادله خطی   70

4-5- آشنایی با نرم افزار CATIA   71

4-6- خاصیت جریان شیر کنترلی   73

4-6-1- انتخاب صحیح خاصیت جریان   74

4-6-2- روش طراحی شیر کنترلی   74

4-7- طراحی شیر کنترلی با نرم افزار CAD   75

4-7-1- شیر کنترلی “8 موجود در منطقه آغار بعنوان نمونه: 75

4-7-2- شیر کنترلی “8 به عنوان مدل با مقیاس 1 به 10: 77

4-7-3- طراحی و مدلسازی شیر کنترلی “3 : 78

4-8- آشنایی با گاز طبیعی: 86

4-8-1- مشخصات گاز طبیعی : 86

4-8-2-  انواع گاز طبیعی   86

فصل پنجم (مراحل شبیه سازی جریان درون شیرکنترلی با نرم افزار CFX) 87

5-1- مقدمه  87

5-1-1- مدل المان محدود: 87

5-1-2- شرایط مرزی   87

5-1-3- روش های حل   88

5-2- مراحل انجام شبیه سازی: 89

5-2-1- شبیه سازی جریان درون Cage: 89

5-2-2- شبیه سازی جریان درون بدنه شیر کنترلی: 109

فصل ششم (جمع بندی و مقایسه نتایج تحلیل و ارائه راهکار) 122

6-1- مقدمه  122

6-2- جمع بندی و مقایسه نتایج تحلیلی از نرم افزار  122

6-2-1- اعتبارسنجی نتایج: ……………..122

6-3-بررسی نویز درشیرهای کنترلی وروش های کاربردی جهت کاهش آن   124

6-3-1- استانداردهای نویز در شیر کنترل   124

6-3-2 معرفی روش بیان شدت صدای تولید شده  125

6-3-3- مراحل پیش بینی نویز  126

6-3-4 روش های کاهش صدای تولید شده در شیر  127

6-4- نتیجه گیری   132

6-5- پیشنهاد های ادامه پروژه  133

منابع.. 134

چکیده:

     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 كنترلی مهمترین مسأله، خاصیت جریان به منظور دستیابی به رفتار مناسب شیر، جهت كنترل دبی یا فشار جریان عبوری می باشد. در این پایان نامه یك شیر كنترلی با خاصیت جریان مناسب به منظور كاهش لرزش و سروصدای شدید طراحی و مدلسازی و سپس شبیه سازی شده است. بدین منظور با بهره گرفتن از مدلسازی سیالاتی شیر كنترلی، رفتار جریان در داخل شیر بوسیله حل عددی در نرم افزار CFX شبیه سازی می گردد تا به كمك نتایج تحلیلی بتوان علاوه بر یك پروفیل داخلی مناسب برای شیر كنترلی، آن را به گونه ای طراحی نمود كه 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 یك نمونه شیر با خاصیت كنترلی مشخص، در نرم افزار Catia طراحی شده و سپس بوسیله نرم افزار CFX بررسی و تحلیل شده است. جهت كنترل صحت نتایج مدلسازی، نتایج بدست آمده با اطلاعات ارائه 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 كنترل 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 اول

مقدمه

1-۱- مقدمه

     شیرهای کنترلی بصورت وسیعی در زمینه های مختلف صنعتی از جمله صنایع نفت و گاز، نیروگاه ها، 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 كنترلی، شبیه سازی رفتار جریان در داخل شیر با بهره گرفتن از نرم افزار CFX است تا به كمك نتایج آن بتوان یك پروفیل داخلی مناسب برای شیر كنترلی به گونه ای طراحی نمود كه از لرزش و ایجاد نویز و سروصدای بیش از حد در شیر جلوگیری کند. بعلاوه با بهره گرفتن از مدلسازی می توان از ایجاد افت فشار بیش از حد در شیر جلوگیری كرد و در واقع از آسیب احتمالی شیر كنترلی اعم از سایش و خوردگی پیشگیری نمود. به عبارت دیگر استفاده از مدلسازی سیالاتی كمك می كند كه به جای صرف هزینه و وقت زیاد برای انجام آزمایش های تجربی، رفتار سیال را در داخل شیر پیش بینی كرده و به بهینه سازی پارامترهای طراحی پرداخت.

1-2- بیان مسئله

    مطابق تعریف مندرج در استاندارد ابزار دقیق امریکا، شیر كنترل وسیله ای است که با اعمال نیرویی غیر از نیروی دست عمل می نماید و میزان جریان سیال را در یك سیستم كنترل فرایندی تنظیم می كند، شیر كنترل شامل یك شیر است و به یك مكانیزم محركه، که توانائی تغییر عنصر کنترل کننده سیال را دارد متصل می باشد. این تغییر بر مبنای سیگنالی است كه از سیستم كنترل دریافت می کند. لذا با توجه به سر و صدای زیاد و لرزش شدید در یكی از شیرهای كنترلی جریان گاز (FCV) منطقه پارسیان، ما را بر آن داشت كه با مدل كردن 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 كاری، 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 راه های 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 کار

روش پیاده شده در پایان نامه شامل دو قسمت اصلی طراحی و مدلسازی شیر کنترلی و شبیه سازی رفتار جریان درون شیر کنترلی با بهره گرفتن از دو نرم افزار Catia و Ansys CFX می باشد.

1-5-1- طراحی و مدلسازی شیر کنترلی

طراحی 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 کنترلی

برای 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 محدود

مدل طراحی شده در Catia وارد محیط CFX  می شود و در آنجا قسمت داخلی شیر (در واقع حجم كنترل) جدا شده و سپس این حجم كنترل وارد محیط ایجاد شبكه محاسباتی (Meshing) می گردد. در این محیط اندازه اولیه المانهای حجمی جسم و همچنین عملیاتی مانند ریزكردن المانهای یك ناحیه خاص انجام می گیرد. بعلاوه در دیواره های نزدیك سطوح مرزی (با توجه به اینكه سرعت تغییرات در نواحی نزدیك 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 مرزی

با توجه به فیزیك مساله، شرایط مرزی مناسب یكی 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 كه 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 شكل 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- روش های حل

با 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 اینكه یكی از اهداف مدلسازی سیالاتی شیر كنترلی، بدست آوردن نمودار عملكرد شیر (نمودار دبی بر اساس درصد بازشدگی) می باشد و این نمودار توسط شركتهای سازنده تحت افت فشار ثابت ارائه 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 اكثر 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 شكل 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 كل و در خروجی فشار استاتیكی به شیر اعمال می گردد. این مقادیر بر اساس فشارهای دو طرف شیر كنترلی انتخاب شده است كه این مقدار اختلاف فشار در حالت كاركرد 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 بهره گرفتن 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 عملكرد شیر ترسیم گردید و با نمودار عملكرد شیر اصلی مقایسه گردید.

تعداد صفحه : 153

قیمت :14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

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

پشتیبانی سایت :        *       asa.goharii@gmail.com

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.