توصيفگر ها :
ماشين سانتريفيوژ گازي , شبيه‌سازي جريان گاز , روش DSMC , شبيه‌سازي سه بُعدي , نرم افزار openFOAM , حلگر dsmcFoam
چكيده فارسي :
در اين رساله مدل‌سازي و شبيه‌سازي سه بُعدي رفتار گاز، به منظور بررسي پارامترهاي جريان و جداسازي درون يك روتور سانتريفيوژ گازي با استفاده از روش شبيه‌سازي مستقيم مونت كارلو (DSMC) انجام شده است. به دليل سرعت دوراني بسيار بالاي روتور سانتريفيوژ، بخش عمده‌اي از جريان در نزديكي ديواره روتور قرار گرفته و در نتيجه در ناحيه محور روتور، تراكم مولكولي كمتري حاصل مي‌شود. در ناحيه محور، عدد نودسن بيشتر و مساوي 10 مي‌باشد و رژيم كاملاً مولكولي برقرار است، بنابراين لحاظ فرض پيوستگي و حل معادلات ناوير استوكس توسط روش ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) معتبر نمي‌باشد. از طرفي معادله بولتزمن، در تمامي رژيم‌هاي جريان معتبر است. اما به دليل غيرخطي بودن و پيچيدگي عبارت‌هاي انتگرال برخورد و چند بُعدي بودن عبارت دانسيته ذرات بر حسب مكان، سرعت و زمان در معادله بولتزمن، استفاده مستقيم از معادله بولتزمن براي گاز‌هاي رقيق دشوار و پيچيده مي‌باشد؛ لذا از روش DSMC استفاده مي‌شود. با حذف بُعد دوراني در پژوهش‌هاي انجام شده با استفاده از شبيه‌سازي در شرايط دو بُعدي، هندسه اسكوپ و نقطه تزريق خوراك به صورت ديسك در نظر گرفته شده است. در حالت واقعي، نقطه تزريق خوراك در يك ماشين سانتريفيوژ به صورت يك حفره دايره‌اي شكل روي سطح جانبي لوله گاز رساني مي‌باشد، اما به دليل در نظر گرفتن شرايط متقارن محوري در حالت دو بُعدي، اين نقطه به صورت يك ديسك متصور شده و گاز از كل فضاي ديسك به داخل روتور تزريق مي‌گردد. هندسه اسكوپ نيز در واقعيت به صورت يك لوله ساكن خم شده مي‌باشدكه در شبيه¬سازي¬هاي دو بُعدي به صورت يك ديسك چرخان با سرعت مشخص متصور شده است.
به منظور بررسي استقلال شبكه در اين پژوهش، شبيه‌سازي با تعداد سلول‌هاي مختلف انجام شد. با بررسي شبكه‌هاي مختلف، شبكه با تعداد 7375675 سلول، براي شبيه‌سازي و تحليل نتايج انتخاب شد.
در اين پروژه براي اولين بار مقدار نيروي درگ حاصل از حل جريان، براي اسكوپ محصول (برابر با 2140 دين) و پسماند (برابر با 1860 دين) تعيين شد. در نتيجه با هدف طراحي توسط ميزان نيروي درگ حاصل از فرم اصلي اسكوپ، امكان تعيين ميزان گشتاور مجاز در جهت عدم خروج روتور از محور چرخش، تعيين جنس و ضخامت اسكوپ و ... با استفاده از شبيه¬سازي حاضر فراهم گرديد. از ميزان نيروي درگ تعيين شده به منظور ورودي به شبيه¬سازي در شرايط دو بُعدي با هدف بهينه¬سازي نيز مي¬توان استفاده كرد.
با بررسي پروفايل¬هاي فشار و دما در نواحي اسكوپ مشخص شد كه فشار و دماي موضعي در ورودي اسكوپ محصول از اسكوپ پسماند بيشتر مي‌باشد. اين موضوع متاثر از نزديكي اسكوپ به ديواره روتور و به تبع آن بيشتر بودن ميزان نيروي درگ اسكوپ محصول نسبت به پسماند است. در نتيجه در طراحي جنس و ضخامت مجاز اسكوپ¬ها، اسكوپ محصول بايد مبنا قرار گيرد. اين در حالي است كه در شرايط دو بُعدي نيروي درگ اسكوپ محصول به عنوان عامل بي تاثير بر مقدار توان جداسازي تلقي شده و اين اثر ناديده گرفته مي¬شود. در صورتي كه در نتايج سه بُعدي مشاهده گرديد كه اين اسكوپ، بر برگشت جريان به محفظه جداسازي و به دنبال آن بر توان جداسازي ماشين تاثيرگذار مي¬باشد. اختلاف ميزان نيروي درگ براي شرايط سه بُعدي و شرايط دو بُعدي با روش CFD، برابر با 17/23 درصد، با روش DSMC برابر با 16/20 درصد و با روش تركيبي CFD-DSMC برابر با 28/28 درصد تعيين شد.
مقادير پارامترهاي جداسازي شامل ضريب جداسازي، ضريب غني‌سازي و ضريب تهي‌سازي در اين رساله به ترتيب برابر با 438/1، 199/1 و 199/1 به دست آمدند. مقدار اختلاف توان جداسازي در نمونه آزمايشگاهي و شبيه‌سازي برابر 3/4 درصد بود كه اين مقدار نشان‌دهنده صحت و مطابقت اين شبيه¬سازي با داده‌هاي تجربي مي‌باشد.
چكيده انگليسي :
In this thesis, three-dimensional modeling and simulation of gas behavior was done in order to investigate the flow and separation parameters inside a gas centrifuge rotor using the direct simulation Monte Carlo method. Due to the very high rotational velocity of the centrifuge rotor, a major part of the flow is located near the rotor wall, and as a result, a lower molecular density is obtained in the area of the rotor axis. In the axial region, the Knudsen number is greater than and equal to 10 and the molecular regime is completely established, therefore, the assumption of continuity and the solution of the Navier-Stokes equations by the Computational Fluid Dynamics (CFD) method are not valid. On the other hand, the Boltzmann equation is valid in all flow regimes. But due to the non-linearity and complexity of the collision integral expressions and the multidimensionality of the particle density expression in terms of location, velocity and time in the Boltzmann equation, direct use of the Boltzmann equation for dilute gases is difficult and complicated; Therefore, the DSMC method is used. Until now, most of the researches have investigated the gas flow in gas centrifuges using two-dimensional simulation, which is far from the reality due to considering multiple assumptions and neglecting the movement in the rotational direction (θ). In other words, by removing the rotational dimension and considering the symmetric flow in 2D simulations, the geometry of the scoop and the feed injection point is considered as a disk. In the real case, the feed injection point in a centrifugal machine is a circular hole on the side surface of the gas supply tube, but due to the consideration of the axially symmetric condition in the 2D state, this point is imagined as a disk and the gas from The entire disk space is injected into the rotor. The geometry of the scoop is actually a bent stationary tube, which is imagined as a rotating disk with a certain speed in two-dimensional simulations. The chocke phenomenon in the place of feed injection and the shock phenomenon in the area where the fluid hits the scoop inlet are considered requirements for the design of centrifuge machines. In this way, shock and choke phenomena, by creating a pressure difference with the upstream, cause the formation of mass wells and springs in order to collect and inject flow in the scoop and feed areas. However, due to the non-occurrence of shock and chock phenomena caused by changes in scoop geometry and feed injection location in 2D simulations, it is not possible to predict and determine design requirements.
By examining different mashes, the mesh with the number of 7375675 cells was selected for simulating and analyzing the results.
In this project, for the first time, the amount of drag force resulting from the flow solution was determined for the product scoop (equal to 2140 dynes) and waste (equal to 1860 dynes). The difference in drag force for 3D and 2D conditions was determined by CFD method equal to 23.17%, by DSMC method equal to 20.16% and by combined CFD-DSMC method equal to 28.28%.The values of separation parameters including separation coefficient, enrichment coefficient and depletion coefficient in this thesis were equal to 1.438, 1.199 and 1.199, respectively. The difference between the separation power in the laboratory sample and the simulation was 4.3%, which indicates the accuracy and high agreement of this simulation with the experimental data.
