سيدمحمد قريشي
در این رساله مدلسازی و شبیهسازی سه بُعدی رفتارگاز، به منظور بررسی پارامترهای جریان و جداسازی درون یک روتور سانتریفیوژ گازی با استفاده از روش شبیهسازی مستقیم مونت کارلو (DSMC) انجام شده است. به منظور بررسی استقلال شبکه در این
پژوهش، شبیهسازی با تعداد سلولهای مختلف انجام شد. با بررسی شبکههای مختلف،شبکه با تعداد 7375675 سلول، برای شبیهسازی و تحلیل نتایج انتخاب شد. در شبیهسازیتغییرات فشار، سرعت و دما در نقاط حساس جریان مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشانداد که در زیر بفل، مقدار فشار تا یک مرتبه کاهش مییابد و با توجه به شکلگیریفشار بیشینه در دیواره روتور واقع در بالای بفل، جهت طراحی و تعیین جنس روتور فشاردیواره در محفظه جداسازی باید مبنا قرار گیرد. همچنین در نقطه تزریق خوراک بهروتور، پدیده خفگی (چوک) ایجاد شده و اطمینان از رخداد این پدیده با شبیهسازیحاضر مرتفع گردید. نتایج بررسی ناحیه خوراک نشان داد که انبساط ناگهانی مولکولهایخوراک، بر جریان محوری شکل گرفته در ناحیه چگال تاثیرگذار بوده و باعث تقویت آنمیگردند. با بررسی تغییرات فشار در ناحیه بیلوز مشخص شد که برآمدگی و فرورفتگیبیلوز به ترتیب دارای کمترین و بیشترین فشار در این ناحیه میباشند. به این ترتیبفشار تعیین شده در ناحیه فرورفته بیلوز بایستی مبنای طراحی این قطعه قرار گیرد. بررسینتایج تغییرات سرعت و فشار در ناحیه دهانه ورودی اسکوپهای محصول و پسماند نشانداد که پدیده شوک در این نواحی رخ میدهد. این پدیده یکی از مهمترین عوامل ایجاد جریانمحوری درون روتور می باشد و اطمینان از رخداد آن توسط شبیهسازی حاضر مورد تاییدمیباشد.محاسبه مقدار نیروی درگ اعمال شده بر اسکوپها توسط جریان چرخشی، به شبیهسازی سه بُعدی نیاز دارد. در شبیهسازیهای دو بُعدی،توان جداسازی ماشین بر اساس نیروی درگ غیر واقعی گزارش میشود. به این صورت که درشرایط دو بُعدی برای اسکوپ دیسک شکل، دور چرخش در قالب اختلاف سرعت زاویهای اسکوپ پسماند نسبت به سرعت دیواره اعمال و مرتباً تغییر داده میشود. این تغییر تا حصول توان جداسازی بیشینه و همچنین نزدیک به توان جداسازی ثبت شده توسط تست تجربی در شناسنامه ماشین ادامه دارد. سپس به تبع آن نیروی درگ شکل گرفته ثبت میگردد. همچنین در این شرایط، برای اسکوپ محصول با فرض عدم تاثیر بر مقدار توان جداسازی و جریان محوری ماشین، مقدار کم و ثابتی تنظیم میگردد. در صورتی که در شبیهسازی سه بُعدی مقدار توان جداسازی، بر اساس نتایج حل به دست آمده و متاثر از تنظیمات ورودی اختلاف سرعت اسکوپ با دیواره روتور نمیباشد. این موضوع بزرگترین دستاورد این رساله محسوب میشود. در واقع در شرایط واقعی و شرایط سه بُعدی اسکوپ ثابت بوده و نمیچرخد تا اختلاف چرخشی برای آن نسبت به چرخش روتور لحاظ گردد(در این شرایط سرعت چرخش اسکوپ برابر با صفر میباشد). به این ترتیب در این پروژه برای اولین بار مقدار نیروی درگ حاصل از حل جریان، برای اسکوپ محصول (برابر با 2140 دین) و پسماند (برابر با 1860 دین) تعیین شد. در نتیجه با هدف طراحی، امکان تعیین میزان گشتاور مجاز در جهت عدم خروج روتور از محور چرخش، تعیین جنس و ضخامت اسکوپ و ... با استفاده از میزان نیروی درگ حاصله از فرم اصلی اسکوپ، با استفاده از شبیهسازی حاضر فراهم گردید. از میزان نیروی درگ تعیین شده به منظور ورودی به شبیهسازی در شرایط دو بُعدی با هدف بهینهسازی نیز میتوان استفاده کرد.با بررسی پروفایل فشار و دما در نواحی اسکوپها مشخص شد که فشار و دمای موضعی در سر اسکوپ محصول از اسکوپ پسماند بیشتر میباشد. این موضوع متاثر از نزدیکی به دیواره و به تبع آن بیشتر بودن میزان نیروی درگ اسکوپ محصول نسبت به اسکوپ پسماند است. در نتیجه در طراحی جنس و ضخامت مجاز اسکوپها، اسکوپ محصول باید مبنا قرار گیرد. این در حالی است که در شرایط دو بُعدی نیروی درگ اسکوپ محصول به عنوان عامل بی تاثیر بر مقدار توان جداسازی تلقی شده و این اثر نادیده گرفته میشود. در صورتی که در نتایج سه بُعدی مشاهده گردید که این اسکوپ، بر برگشت جریان به محفظه جداسازی و به دنبال آن بر توان جداسازی ماشین بسیار تاثیرگذار میباشد. اختلاف میزان نیروی درگ برای شرایط سه بُعدی و شرایط دوبُعدی با روش CFD، برابر با 17/23 درصد،
با روش DSMC برابر با 16/20 درصد و با روش ترکیبی CFD-DSMC برابر با 28/28 درصد تعیین شد.
مقادیر پارامترهای جداسازی شامل ضریب جداسازی، ضریب غنیسازیو ضریب تهیسازی در این رساله به ترتیب برابر با 438/1، 199/1 و 199/1 به دستآمدند. مقدار توان جداسازی حاصل از این شبیهسازی نیز برابر با 093/9 کیلوگرم سودر سال تعیین شد. مقدار اختلاف توان جداساز