متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته : مهندسی مکانیک

گرایش : تبدیل انرژی

عنوان : طراحی و بهینه سازی سیستم توزیع شاخه ای گازطبیعی بر مبنای تئوری ساختاری

دانشکده مهندسی مکانیک     

بخش مهندسی حرارت وسیالات

پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک (گرایش تبدیل انرژی)

طراحی و بهینه سازی سیستم توزیع شاخه ای گازطبیعی بر مبنای تئوری ساختاری

اساتید راهنما:

دکتر ابراهیم گشتاسبی­راد

دکتر خسرو جعفرپو

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)

چکیده

 توزیع گاز طبیعی در شبکه های روستایی و شهرهای کوچک به دلیل ساختار شهرسازی عمدتا به صورت شاخه ای صورت می پذیرد. همواره طراحان شبکه های توزیع گاز رسانی سعی بر این داشته اند طرح آنها با صرف کمترین هزینه بهترین خدمات رسانی را داشته باشد. در حال حاضر از روش های متفاوتی در طراحی و بهینه سازی شبکه توزیع گاز استفاده می گردد. یکی از راه های بهینه سازی در شبکه های شاخه ای روش کارآمد ساختاری می باشد. ایده اولیه روش ساختاری از پدیده های طبیعی گرفته شده است و این از اینجا ناشی میشود که این پدیده ها دارای نظم ساختاری ویژه ای هستند. در واقع تئوری ساختاری را در هر جایی از طبیعت می توان مشاهده کرد (حوزه رودخانه ها، ریه، گردش جوی و …). در این پژوهش سعی شده است که برای اولین بار تئوری ساختاری را همراه با روش بهینه سازی در شبکه های شاخه ای توزیع گاز به کار گرفته شود. برای تحقق این هدف، ابتدا افت فشار بین دو نقطه از شبکه بر حسب قطر لوله ها و دیگر پارامترهای جریان محاسبه می گردد و سپس مقدار این افت کمینه می شود. نتایج نشان می دهد که با بهره گیری از تئوری ساختاری می توان المان های شبکه را بهینه، قطر لوله ها را کمینه و هزینه نهایی سیستم را نیز کاهش داد.

 ف هرست مطالب

عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه و مروری بر تحقیقات پیشین 1
1-1 مقدمه 1
1-2 اهداف پایان نامه حاضر 3
1-3 مروری بر تحقیقات پیشین 3
    1-3-1- طراحی شبکه گاز 3
    1-3-2- تئوری ساختاری 6
فصل دوم: مفاهیم طراحی و بهینه سازی 7
2- 1    مقدمه ای در طراحی 7
2- 2   فرآیند طراحی 7
2- 3  فرایند طراحی متداول در مقابل  بهینه سازی 8
2- 4  نقش رایانه در بهینه سازی 11
2- 5  تعریف بهینه سازی 11
2- 6  مفاهیم بهینه سازی 11
2- 7  تاریخچه روش های بهینه سازی 12
2-8 روش های مختلف بهینه سازی 14
     2-8-1- روش های محاسباتی 14
     2-8-2- روش های شمارشی 15
    2-8-3- روش های تصادفی 15
فصل سوم: معادلات حاکم بر جریان درون لوله ها 16
3- 1 حرکت سیالات تراکم ناپذیر در لوله ها 16
     3-1-1- انواع رژیم جریان سیال در لوله ها 16
         3-1-1-1- جریان آرام 16
عنوان صفحه
       3-1-1-2- جریان مغشوش 17
    3-1-2- جریان آرام در لوله ای استوانه ای 17
                      محاسبه افت فشار 18
    3-1-3- جریان مغشوش در لوله های استوانه ای 19
        3-1-3-1- منحنی توزیع سرعت ها 20
        3-1-3-2- محاسبه افت فشار 22
    3-1-4- جریان مغشوش در لوله های صاف 22
    3-1-5- جریان مغشوش در لوله های زبر 23
3- 2 حرکت سیالات تراکم پذیر در لوله ها 26
     3-2-1- مقدمه 26
     3-2-2- معادلات اساسی در حرکت سیالات تراکم پذیر 26
         3-2-2-1- رابطه پیوستگی 26
         3-2-2-2- معادله حرکت 27
         3-2-2-3- رابطه انرژی 27
     3-2-2- جریان تکدما از درون لوله با قطریکنواخت 28
فصل چهارم: رویکرد تئوری ساختاری در طراحی شبکه های توزیع سیال 30
4- 1 تئوری ساختاری 30
4- 2 سیستم های در بردارنده جریان سیال 35
    4-2-1- جریان بین دو نقطه 35
                   انتخاب بهترین سطح مقطع 35
    4-2-2-  اتصالT شکل و Y شکل   39
         4-2-2-1- جریان تراکم ناپذیر با رژیم آرام 40
          4-2-2-2- جریان تراکم ناپذیر با رژیم آشفته 44
          4 -2-2-3- جریان تراکم پذیر با رژیم آرام 46
          4 -2-2-4- جریان تراکم پذیر با رژیم آشفته 49
    4-2-3-   جریان بین یک نقطه و تعدادی زیادی از نقاط 51
        4-2-3-1- شبکه درختی برای جریان سیال 51
        4-2-3-2- انواع شبکه درختی 53
                       الف) شبکه درختی تک جفتی 53
عنوان صفحه
                               الف-1- جریان تراکم ناپذیر با رژیم آرام 54
                               الف-2- جریان تراکم ناپذیر با رژیم آشفته 57
                                الف-3- جریان تراکم پذیر با رژیم آرام 59
                                الف-4- جریان تراکم پذیر با رژیم آشفته 61
                      ب) شبکه درختی دو جفتی 64
                               ب-1- جریان تراکم ناپذیر با رژیم آشفته 64
                               ب-2- جریان تراکم پذیر با رژیم آرام 69
                               ب-3- جریان تراکم پذیر با رژیم آشفته 70
                      ج) شبکه درختی سه جفتی 72
                               ج-1- جریان تراکم ناپذیر با رژیم آشفته 72
                               ج-2- جریان تراکم پذیر با رژیم آرام 76
                               ج-3- جریان تراکم پذیر با رژیم آشفته 78
                     د)شبکه درختی با جفت دلخواه 80
       4-3 محاسبه افت فشار در حالت کلی 82
                   4-3-1- جریان تراکم ناپذیر با رژیم آرام 83
                   4-3-2- جریان تراکم ناپذیر با رژیم آشفته 86
                   4-3-3- جریان تراکم پذیر با رژیم آرام 92
                    4-3-4- جریان تراکم پذیر با رژیم آشفته 94
         4-4 شبکه درختی با کمترین طول لوله 100
             4-4-1- کمترین طول لوله در صفحه 100
             4-4-2- کمترین طول لوله روی دیسک 101
         4- 5 مقایسه بین درخت بهینه و درخت با طول لوله کمینه(با فرض  جریان تراکم ناپذیر آرام) 105
          4- 6 مقایسه بین درخت بهینه و درخت با طول لوله کمینه (با فرض   تراکم ناپذیر جریان آشفته) 106
فصل پنجم بهینه سازی شبکه شاخه ای گاز با تئوری ساختاری 109
5-1- ویژگی های گاز طبیعی 109
 
عنوان صفحه
5- 2 شبکه توزیع گاز 110
         الف) شبکه شاخه ای 110
         ب) شبکه حلقوی 110
          ج) شبکه مختلط 110
5- 3 بررسی امکان بکارگیری تئوری ساختاری درسیستم شاخه­ای گاز طبیعی 111
        5-3-1- طراحی اتصالات متوالی 115
        5-3-2- طراحی اتصالات موازی 117
5- 4 مدل سازی شبکه و روش حل آن 120
    5-4-1- تابع هدف 120
    5-4-2- قیود 121
    5-4-3- طراحی شبکه شاخه ای توزیع گاز 121
5- 5 طراحی و بهینه سازی یک سیستم نمونه  شاخه ای گاز طبیعی 125
فصل ششم ارائه نتایج و بحث: طراحی چند شبکه گاز رسانی به کمک تئوری ساختاری 132
6-1 مسئله اول 133
6-2 مسئله دوم 143
6-3 مسئله سوم 152
فصل هفتم جمع بندی نتایج 163
7-1 نتیجه گیری 163
7-2 پیشنهادات 164
منابع و ماخذ 165

فصل اول – مقدمه وتحقیقات پیشی

  • مقدمه

انسان همواره در جهان اطراف خود به دنبال یافته های جدیدی است. اما در این میان آنچه اهمیت دارد نگاه عالمانه به جهان می باشد که بتوان با بهره گیری از آن نگاه، پدیده های مختلف را مورد موشکافی قرار داده و به ایده ها ی جدیدی دست یافت که راهگشای گوشه ای از مشکلات زندگی بشر امروز باشد. خداوند متعال در آفرینش جهان نظم و قانون خاصی حکمفرما کرده است، این مساله میتواند توجه انسان را در کشف رمز و راز این قوانین برانگیزد. به عنوان مثال چرا درختان در هنگام تابش آفتاب طوری شاخه های خود را به حرکت در می آورند که در ساعات مختلف روز استفاده کافی از نور را داشته باشند و یا اینکه چگونه هنگام بارش باران، آب باران کوتاه ترین مسیر را برای رسیدن به رودخانه ها طی میکند. البته این نگاه انسان فقط به پدیده های جهان اطراف ختم نمی شود، مثلا ساز و کار اندام های موجود در بدن انسان، آشنایی بیشتر با آنها می تواند سوال های جدیدی را در ذهن انسان ایجاد کند. به عنوان مثال چرا بافت های شش انسان منبسط و منقبض می گردند و … تنها پاسخ گویی به این نوع سوالات راهگشای مشکلات نخواهد بود بلکه دستیابی به ایده های جدید و پیاده سازی آن بطور عملی در علم روز باید هدف قرار گیرد.

   نظم حاکم در جهان هستی و پدیده های موجود در طبیعت همواره دست مایه محققین در آفرینش ایده های  جدید بوده است. یکی از این ایده های جدید که به صورت یک تئوری بیان شده، تئوری ساختاری است. همانطور که از نام این تئوری مشخص می شود از نظم ساختاری موجود در پدیده های طبیعی الهام گرفته شده است.

تئوری ساختاری در واقع یک پیش­زمینه ایست که در طراحی ساختار جریان بکار می رود. پایه و اساس آن می تواند یک اصل فیزیکی برگرفته از طبیعت باشد، این از آنجا ناشی می گردد که سیستم­های جریان طبیعی دارای ساختار بهینه هستند. در نتیجه ایده دستیابی به ساختار بهینه را محققین از پدیده های طبیعی گرفته اند]1[.

  از طرفی پروژه ها نمایانگر توسعه پایدار در هر کشور می باشد. یکی از پروژهایی که در هر کشور بخصوص کشورهای نفت خیز در حال توسعه اهمیت بسیار زیادی دارد، انتقال و توزیع نفت و گاز از طریق خطوط لوله می باشد. اقتصاد این کشورها به شدت بستگی به عملیات روان و بدون نقص این خطوط دارد و همچنین امروزه با توجه نیاز جامعه، افزایش رو به رشد جمعیت و محدودیت در منابع، استفاده از روش های نوین برای بهینه سازی سیستم های انتقال و توزیع این منابع (نفت وگاز) از اهمیت زیاد و قابل توجهی برخوردار است.

البته ممکن است که با بکارگیری تکنیک های پیشرفته، پروسه های طراحی و بهینه سازی پیچیده تر گردد. اما با بکارگیری همزمان ریاضیات و استفاده از رایانه به عنوان ابزاری در حل بسیار دقیق، میتوان این مشکل را حل کرد.

در این پایان نامه طراحی و بهینه سازی شبکه های توزیع گاز شهری و روستایی مورد مطالعه قرار گرفته است. که ابتدا به معرفی این نوع سیستم های توزیع گاز پرداخته شده و در ادامه طراحی و بهینه سازی آن مورد بررسی قرارگرفته شده است.

 یک شبکه توزیع گاز دارای چند خط اصلی[1] است که گاز را از ایستگاه تقلیل فشار وارد شهر کرده و به دست مصرف کنندگان می رساند]2[.

اصولا در طراحی شبکه توزیع گاز سرعت، فشار و شدت جریان گاز و قطر لوله ها از پارامترهای موثر در طراحی هستند که بر روی یکدیگر تاثیر متقابل دارند. عموما جریان در شبکه توزیع گاز در حالت دائمی فرض می شود.

با توجه به متغیرهای فراوانی که در شبکه توزیع گاز وجود دارد با بهره گرفتن از رایانه و بهره گیری از یک روش بهینه سازی مناسب می توان هزینه نهایی سیستم را کمینه کرد.

  در واقع هدف از این تحقیق کاهش هزینه ها نهایی برای شبکه شاخه ای توزیع گاز می باشد. بدین منظور از روش تئوری ساختاری به عنوان یک روش نوین در طراحی سیستم شاخه ای توزیع گاز طبیعی و بهینه سازی آن استفاده می گردد.

درادامه این فصل مروری بر تحقیقات پیشین صورت می پذیرد.

در فصل دوم مفاهیم کلی طراحی و بهینه سازی بیان گردیده و همچنین مقایسه ای بین طراحی همراه با فرآیند بهینه سازی با طراحی متداول[2] انجام گرفته است. تاریخچه بهینه سازی، روش های مختلف بهینه سازی[3] و الگوی بهینه سازی استاندارد از جمله مواردی است که در ادامه این فصل شرح داده می شود.

معادلات حاکم بر جریان های تراکم پذیر و تراکم ناپذیر با رژیم های آرام و آشفته درون لوله های صاف و لوله های زبر در فصل سوم این پایان نامه ارائه می گردد.

در فصل چهارم روش طراحی با تئوری ساختاری و چگونگی استفاده از آن برای طراحی و بهینه سازی سیستم های مختلف توزیع سیال شرح داده شده است.

امکان بکارگیری تئوری ساختاری برای شبکه شاخه ای گاز در فصل پنجم مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در این فصل روش طراحی و بهینه سازی در قالب یک الگوریتم بر مبنای سعی وخطا بیان شده است. درانتهای فصل پنجم یک ساختار ساده شاخه ای گاز به عنوان نمونه انتخاب و بر اساس روش حل پیشنهادی طراحی می گردد تا کارایی تئوری ساختاری در بهینه سازی شبکه شاخه ای گاز مورد ارزیابی قرار گیرد.

در فصل ششم روش بهینه سازی شبکه شاخه ای گاز  بر مبنای تئوری ساختاری  برای چهار مسئله مختلف (از نظر تعداد مصرف کننده) بکار گرفته شده و برای هر مسئله مسیرهای بحرانی از نظر هزینه مشخص گردیده است و همچنین هزینه نهایی کل در هر شبکه با طراحی های مشابه قبلی مورد مقایسه قرار گرفته است.

در فصل هفتم نتایج به دست آمده در این پژوهش ارائه و همچنین پیشنهاداتی برای بکارگیری تئوری ساختاری در زمینه های دیگر گردیده است.

1-2- اهداف پایان نامه حاضر

اهداف این پایان نامه را می توان بصورت زیر بیان نمود:

  1. بررسی امکان بکارگیری تئوری ساختاری درسیستم شاخه­ای گاز طبیعی
  2. طراحی یک سیستم تیپ [4]شاخه ای گاز طبیعی
  3. بهینه سازی سیستم شاخه ای گاز با تئوری ساختاری
  • مطالعات پیشین

این بخش را به دو قسمت مجزا طراحی شبکه گاز و تئوری ساختاری تقسیم کرده و مطالعات قبلی صورت گرفته در هر دو بخش به ترتیب مورد بررسی قرار می گیرد.

1-3-1- طراحی شبکه گاز

اخیرا بیشترین توجه در شبکه های توزیع جریان روی دستیابی به الگوریتم های کارآمدی برای آنالیز جریان متمرکز است و هم اکنون تعداد زیادی برنامه رایانه ای قابل استفاده و موثری برای شبیه سازی وجود دارد و طرحهای بهینه ای را پیشنهادی می کند. به عنوان مثال برنامه سیم نت[5] ]3[ بطور گسترده در لهستان[6] برای آنالیز و شبیه سازی سیستم های توزیع گاز استفاده                می گردد.

  البته هم اکنون مطالعات محدودی در راستای گسترش روش هایی با هدف بهینه کردن طراحی شبکه لوله در جهان صورت می پذیرد که اغلب این تحقیقات موجب دستیابی به برنامه های رایانه ای قابل دسترسی که عمدتا استفاده تجاری دارند، شده اند که این برنامه ها مهندسین را در طراحی و بهینه سازی شبکه توزیع بسیار کمک می کنند.

روش هایی که در حال حاضر در طراحی شبکه توزیع گاز استفاده می شود و بر اساس پروسه انتخاب قطر لوله ها به سه دسته زیر تقسیم می گردد]3[:

  • روش های ذهنی[7] (ابتکاری).
  • روش هایی که در آن فرض می شود گستره پیوسته[8] ای از قطر لوله ها در دسترس است.
  • روش های بهینه سازی گسسته[9].

تعداد صفحه : 194

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.