مدلسازی رسوب و فرسایش در انسیس فلوئنت

مدلسازی فرسایش و رسوب ذرات در انسیس فلوئنت

انسیس فلوئنت با افزودن سه مدل استانداردِ صنعتی به مدل پیش فرض نسخه‌­های قبلی خود، از قدرت و دقت بیشتری در مدلسازی فرسایش پیشرفته برخوردار شده است. فرسایش باعث خسارات عمده‌ی اقتصادی در صنایع مختلف مانند نفت و گاز، انتقال هیدرولیک و فرآیندهای شیمیایی می­شود. این پدیده به مجاری جریان، شیرآلات و اتصالات لوله آسیب می­رساند، که منجر می­شود هزینه­‌های تعویض قطعات به شدت افزایش پیدا کرده و همچنین منجر به تأخیر در فرآیند تولید می‌شود­. به عنوان مثال، برخی از اتصالات روغنی و گازی ممکن است فقط پس از ۳۰ دقیقه کار به دلیل سرعت بالای فرسایش خراب شوند.

مهندسان برای اینکه بتوانند قطعاتی طراحی کنند که از عمر به نسبت بالاتری برخوردار باشند باید بتوانند فرسایش را در شکل­‌ها و طراحی­‌های مختلف پیش­‌بینی کنند. در صورت عدم استفاده از نرم افزارهای تحلیلی (مانند انسیس فلوئنت) اینکار به شدت هزینه‌بر خواهد بود. اما با کمک نرم افزار های تحلیلی مانند فلوئنت می­توان حالات مختلف را در نظر گرفت و بهینه ­ترین طراحی را به دست آورد. اینکار باعث کاهش هزینه و همچنین سرعت بخشیدن به زمان کار فرآیند می­شود.

اگر مواد سطح لوله شکل­‌پذیر باشند، برخوردهای مکرر ذرات جامد منجر به خوردگی، فرورفتگی و به طور کلی باعث فرسایش می­شوند. این خوردگی­‌ها با برخورد ذرات بعدی رشد کرده و در نهایت باعث کنده شدن قسمتی از سطح لوله می­شوند، (شکل الف). از طرف دیگر، اگر مواد سطح لوله شکننده باشند در اثر برخورد ذرات جامد، شکاف­‌های عرضی و شعاعی خواهند داشت. این شکاف­‌ها با برخورد مستمر ذرات جامد رشد می­کنند و نهایتاً باعث می­شوند که یک بخش از سطح لوله دچار خوردگی شده و از سطح لوله جدا شود، (شکل ب).

فرسایش یک پدیده پیچیده است که به پارامترهای زیادی بستگی دارد. پارامترهای مرتبط به ذره می­توانند شامل موارد زیر باشند:

• شکل ذره
  • در مواردی که ذرات دارای لبه­های زاویه ­دار هستند بیشتر از ذرات کروی باعث پدیده فرسایش می­شوند.
• اندازه ذره
  • نرخ فرسایش  
• سختی ذرات فرسایشی

از طرف دیگر، پارامترهای جریان با تعیین غلظت ذرات، زاویه برخورد ذرات و سرعت برخورد، تأثیر بیشتری بر فرسایش دارند. سایر پارامترهای موثر بر فرسایش، مربوط به خصوصیات سطح مورد استفاده (مانند سختی سطح) می­باشد. پیشرفت چشمگیری در درک فرسایش ناشی از ذرات جامد با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) حاصل شده است. CFD امکان مدلسازی دقیق جریان سیال و مسیر ذرات از طریق خطوط لوله و خم­‌ها را فراهم می­کند. پس از محاسبه سرعت و زاویه ذرات در برخورد با سطح، می­توان از روابط­ های تجربی برای تعیین کمیت میزان فرسایش استفاده نمود.

برای محاسبه نرخ فرسایش نیاز به انجام آزمایش‌­های تجربی داریم. بسیاری از این روابط تجربی برای محاسبه نرخ فرسایش در مقاله­های علمی منتشر شده است. همه این روابط شامل زاویه برخورد، سرعت برخورد، قطر ذره، جرم ذره و فرکانس برخورد می­باشند. یک مدل فرسایش معمولی دارای شکل کلی زیر است (مدل فرسایش پیش فرضی که انسیس فلوئنت از آن استفاده می­کند):

پارامترهای استفاده شده در رابطه عبارتند از :

• نرخ جریان جرمی ذرات جامد
• تابع زاویه برخورد
• تابع قطر ذرات
• سرعت برخورد ذرات
• توان سرعت

زاویه برخورد ذرات، سرعت ضربه و سرعت جریان جرم مستقیماً با استفاده از CFD محاسبه می­شود. با این وجود، تابع زاویه برخورد، تابع قطر ذره و توان سرعت باید به عنوان ورودی در اختیار حلگر قرار گیرد.

مدل‌های فرسایش ذرات در انسیس فلوئنت

همانطور که اشاره شد علاوه بر مدل پیش فرضی که نرم ­افزار فلوئنت از آن استفاده می­کند (معادله (۱))، سه مدل فرسایشی جدید نیز به انسیس فلوئنت اضافه شده است تا انعطاف و دقت بیشتری به کاربران بدهد که در ادامه با آن­ها آشنا خواهیم شد:

• مدل فینی (Finnie) بیشتر برای مواد شکل پذیر مناسب است، جایی که نرخ فرسایش با زاویه و سرعت برخورد تغییر می­کند.
• مدل اوکا (Oka) که با در نظر گرفتن ویژگی­‌هایی مانند سختی دیوارها، نتایج واقعی­‌تری را در اختیار کاربران قرار می­دهد.
• مدل فرسایش مک­لاری (McLaury) برای پیش بینی میزان فرسایش ذرات جامد در آب مناسب می­باشد. از این مدل در ابتدا در جریان­‌های دوغابی استفاده می­شد. دوغاب به مخلوطی از جامدات گفته می‌شود که چگالی آن‌ها بیشتر از آب است و درون یک مایع (معمولاً آب) معلق هستند.

درست مانند مدلسازی جریان­‌های آشفته، نمی­توان از یک مدل برای همه پدیده­‌های فرسایشی استفاده کرد. هر مدل فرسایشی برای حالتی خاص در نظر گرفته شده است. بنابراین باید قبل از استفاده از هر مدل فرسایشی، شرایط جریان مربوطه را برای هر مدل در نظر گرفت.

نحوه انجام مدل سازی فرسایش در انسیس فلوئنت

نرخ فرسایش معمولاً پس از ایجاد میدان جریان در دامنه محاسباتی، محاسبه می­شود. در واقع، شما می­توانید آن را به عنوان یک مرحله پس پردازشی برای تجزیه و تحلیل CFD تصور کنید. بنابراین، فرسایش را می­توان در سناریوهای بارگیری ذرات کم، بارگذاری حجم ذرات < 10%، با استفاده از مراحل زیر پیش بینی کرد:

• مدل CFD خود را حل و همگرا کنید، پرونده (Case) و داده ها (Data) خود را ذخیره کنید.
• مدل “ذرات گسسته” را فعال کنید و مدل Erosion / Accretion را از برگه “مدلهای فیزیکی” فعال کنید.
• تزریق ذرات را در مدل تعریف کنید. قطر ذرات، سرعت تزریق و سرعت جریان را تنظیم کنید.
• ضرایب انعکاس نرمال و مماسی ذرات را در شرایط مرزی دیواره تنظیم کنید. پنل ایجاد شرایط مرزی در دیواره مورد نظر قابل مشاهده است.
• در زیر شاخه DPM مدل فرسایش مناسب را برای شرایط مرزی دیوار انتخاب کنید. چهار مدل موجود است.
• جریان را برای یک تکرار اجرا کنید، اینکار برای آزاد سازی ذرات و محاسبه میزان فرسایش در سطح مورد نظر کافی خواهد بود.

کانتورهای میزان فرسایش را در دیواره‌­های مورد نظر را نشان دهید. مدل‌­های مختلف فرسایش را می­توان در یک دیوار برای مقایسه رسم کرد.

استقاده از مش (شبکه) متحرک (Dynamic mesh) برای مدلسازی تخریب دیوار در اثر فرسایش و رسوب

مش متحرک (داینامیک مش یا به اصطلاح رایج دینامیک مش) به این معنی است که شبکه محاسباتی یکسان نیست و می تواند در حین محاسبه تغییر کند؛ به عنوان مثال به منظور شبیه ­سازی حرکت رفت و برگشتی پیستون، سقوط آزاد یک گوی در یک سیال (بواسطه وزن خود) و یا مسائل با شرایط مرزی متحرک از مش متحرک یا دینامیک مش استفاده می شود .

فرسایش دیواره­‌های لوله به دلیل معلق شدن و گیرافتادن ذرات جامد درون سیال حامل، باعث نگرانی بسیاری از صنایع شده است که در این میان صنعت نفت و گاز بیشترین آسیب را از این اتفاق متحمل شده‌­اند. تولید ماسه به عنوان بخشی از عملیات حفاری، باعث می­‌شود در تجهیزات فرسایش رخ دهد.

آزمایش­‌های فیزیکی برای تعیین عمر هر جزء گران و زمانبر هستند. صنعت باید بتواند با دقت بالا این پدیده را مدلسازی کند تا بتوانند عمر هر قسمت را پیش­بینی کرده و برنامه­‌های نگهداری را بر این اساس تنظیم کنند. منظور از شبیه ­سازی با دقت بالا، تنها اعتبار سنجی مدل فرسایش برای شرایط عملیاتی نمی­باشد؛ بلکه توانایی محاسبه تغییرات محلی جریان در اثر حذف مواد را نیز شامل می­شود. شرکت انسیس با ارائه یک ماژول فرسایشی تعریف شده که در آخرین نسخه انسیس فلوئنت نیز گنجانده شده است، در این زمینه به مهندسین کمک کرده است. کسانیکه از روش قدیمی مدلسازی فرسایش لوله استفاده کرده‌اند، با استفاده از این مدل جدید شاهد آسان­تر شدن فرآیند شبیه ­سازی فرسایش خواهند بود و از محاسبات قوی تغییر شکل دیواره نیز بهره ­مند می­شوند. طبق معمول، مدل جدید آزمایشات دقیق و اعتبارسنجی را بر اساس مقاله­‌های منتشر شده پشت سر گذاشته است. در قسمت زیر، برخی از ویژگی‌های برجسته این مدل و یک مورد اعتبار سنجی را به اشتراک خواهیم گذاشت.

این مدل مش دینامیکی فرسایشی (Erosion Dynamic Mesh) نام دارد. به محض فعال کردن فرسایش در منوی مدل فاز گسسته (DPM) که در زیر نشان داده شده، این مدل فعال می­شود.

به محض روشن شدن مدل، دیواری که احتمال وقوع فرسایش در آن را می‌­دهید ابتدا در نرم ­افزار­های طراحی مانند اسپیس ­کلیم (SpaceClaim) ایجاد کنید و در منویی که در بالا تصویرش را مشاهده می­کنید انتخاب کنید و سپس چگالی آن را مشخص کنید. چهار مدل فرسایش مرجع وجود دارد. مانند سایر شبیه­ سازی­‌هایی که در نرم ­افزار فلوئنت انجام می­دهید در این مدل هم قادر هستید که یا از تنظیمات پیش فرض فلوئنت و یا تنظیمات مورد نظر خود (با استفاده از UDF و UDS) استفاده کنید. پنل اصلی همچنین امکان تنظیم خودکار مش دینامیکی را فراهم می­کند و عملیات تغییر شکل دیواره را لحاظ می­کند. در هنگام راه اندازی مش دینامیکی، شبکه لایه مرزی بر روی دیوار با تغییر شکل حرکت می­کند تا سلول­های دیواره به طور غیر طبیعی کشیده نشوند. دکمه “Run Erosion-Dynamic Mesh Simulation” در نرم افزار شما را به تنظیمات زمان اجرا منتقل می کند، همانطور که در تصویر نشان داده شده است. در اینجا می توانید روش گام زمانی ثابت یا متغیر را تعیین کنید، کل زمان فرسایش را مشخص کنید، پرونده‌ها و تصاویر را ذخیره کنید و یک از گزارش تغییر شکل خودکار شبکه ایجاد کنید. پیشرفت شبیه سازی با گذشت زمان در پایین صفحه نمایش داده می­شود. چندین مورد با استفاده از این مدل جدید مورد آزمایش قرار گرفتند. در اینجا ما یک مقاله تجربی را بررسی می­کنیم که در سال ۲۰۱۴ توسط نگوین و همکاران (Nguyen et al.)، منتشر شده است. این یک سناریوی فرسایش صفحه تخت است که در آن یک جت مایع با سرعت ۳۰ متر بر ثانیه به صفحه برخورد می کند. ذرات شن معلق باعث فرسایش سطح صفحه می شوند. تنظیمات هندسه در اینجا نشان داده شده است.

تنظیمات هندسه در شکل های ۱ و۲ با مدل فرسایش صفحه تخت (شکل ۳) نشان داده شده است. از مدل فرسایش Oka با تنظیمات پیش فرض استفاده شد و الگوی فرسایش پیش­بینی شده با داده های اندازه گیری­شده و آزمایشگاهی مقایسه شد. شکل ۴٫ این مقایسه را نشان می­دهد.

محور x در سراسر منطقه فرسایش یافته همانطور که توسط خط سیاه در ضمیمه گوشه راست بالا نشان‌داده شده‌است، حرکت می‌کند. محور y موقعیت کنونی گره‌های سطحی را در مقایسه با حالت فرسایش نیافته اصلی نشان می‌دهد. نتایج شبیه سازی ما در سه زمان مختلف کاملاً مطابق با روند آزمایش نگوین است (۵، ۱۵ و ۳۰ دقیقه). مقدار مطلق فرسایش نیز در شبیه­سازی­ها و آزمایش­ها نزدیک است. با تنظیم مدل Oka به شرایط آزمایش می­توان این اعداد را بهبود بخشید. تأثیر تعداد جریان­های ذره بر میزان فرسایش نیز مهم است (شکل ۵ را ببینید).

هرچه تعداد مسیرها برای دنبال کردن ذرات بیشتر، الگوی فرسایشی هموارتر می‌شود. با این حال، محاسبه مسیرهای بیشتر به معنای زمان پردازش بیشتر است. از این رو، تعداد بهینه­ای مسیر وجود دارد که فراتر از آنها نتایج شبیه­سازی شده بسیار کم تغییر می­کنند. از شکل ۵، این تعداد مطلوب بین ۵۰ تا ۱۰۰ مسیر است. طرح هموارسازی شبکه بسیار قوی است. همراه با بازسازی سلول، به شما این امکان را می­دهد شبیه سازی هایی با تغییر شکل­های بسیار بزرگ انجام دهید. منطق حرکت گره دیواری (که همان شرایط مرزی متحرک ذکر شده در ابتدای این مقاله می­باشد) به اندازه کافی کلی است که می­تواند برای سایر پدیده­ها مانند خوردگی یا فرسایش ناشی از واکنش­های سطحی به کار رود.

برای دیدن نمونه‌­های شبیه‌­سازی دینامیک مش در برابر فرسایش، به این فیلم نگاهی داشته باشیم: