وبلاگ

     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 یک 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 یک سیستم كنترل فرایندی تنظیم می كند، شیر كنترل شامل یک شیر است و به یک 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 یک ناحیه خاص انجام می گیرد. بعلاوه در دیواره های نزدیک سطوح مرزی (با توجه به اینكه سرعت تغییرات در نواحی نزدیک 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 فیزیک 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 فرایند 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 فرایند همدما (Isothermal) و دمای فرایند 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.