4-5-2- تنظیم خواص فیزیکی40
4-5-3- انواع مواد41
4-5-4- اصلاح خواص یک ماده موجود41
4-5-5- تغییر نام مواد موجود42
4-5-6- چگالی42
4-5-7- لزجت43
4-6- انجام محاسبات44
5- میدان های سرعت و دما47
5-1- میدان سرعت در جریان آرام توسعه یافته درون لوله با ویسکوزیته ثابت47
5-2- میدان دما در در جریان آرام توسعه یافته درون لوله با شار حرارتی یکنواخت47
5-3- میدان دما در جریان آرام درون لوله با دمای یکنواخت48
5-4- حل عددی49
5-4-1- حالت ویسکوزیته ثابت49
5-4-2- حالت ویسکوزیته گاز تابع دما53
6- تغییر سرعت صوت در کانال60
6-1- تغییر سرعت پیشروی صوت در اثر میدان سرعت جریان60
6-2- تغییر سرعت پیشروی صوت در اثر میدان دما60
6-3- حل تحلیلی تأثیر میدان گرادیان شعاعی دما بر عملکرد دبی سنج التراسونیک62
6-3-1- تئوری63
7- جمع بندی73
7-1- بررسی تاثیر شرایط هندسی فلومیتر و عدد رینولدز بر نمودار خطای حاصله74
7-2- پیشنهادات79
8- مراجع80
پیوست82
کد UDF نوشته شده برای محاسبه سرعت در فلوئنت82
کد یودی اف نوشته شده برای فهماندن تغییرات ویسکوزیته بر حسب دما در فلوئنت83
کد نوشته شده در متلب برای محاسبه دما در لوله با شرط مرزی دمای ثابت86
کد نوشته شده در متلب، برای بدست آوردن جبهه ی موج و مسیر حرکت یک نقطه روی جبهه ی موج:90
کد نوشته شده در متلب برای محاسبه ی مقدار خطای اندازه گیری سرعت سیال با فرض انتقال حرارت توسعه یافته شار ثابت (در یک سطح مقطع بر حسب اختلاف دمای متوسط سیال و دمای دیواره)92
برنامه زمان بندی اجرای رساله94
مراحل اجرای رساله به تفکیک95

فهرست جدول ها
عنوان شماره صفحه
جدول 1- شرایط بررسی میدان جریان و دما5
جدول 2- تقسیم بندی انواع نواحی34
جدول 3- شرایط در نظر گرفته شده در مدلسازی49
فهرست شکل‌ها
عنوان شماره صفحه
شکل 1- پایه های روش اندازه گیری دبی سنج زمان عبور التراسونیک [1]4
شکل 2- فروش سالانه دبی سنج های التراسونیک از سال 1955 تا 2005 [10]8
شکل 3- چند نمونه از ایجاد امواج صوتی10
شکل 4- انتشار امواج صوتی در مولکول های جسم11
شکل 5- ترانسدیوسر مگنتو استریکتیو12
شکل 6- ترانسدیوسر الکتروستریکتیو با ساختار ساندویچی13
شکل 7- وضعیت دی پل ها در کریستال پیزو الکتریک در حالت های مختلف (1) قرارگیری تصادفی دی پل های ماده پیزو الکتریک پیش از پلاریزاسیون (2) پلاریزاسیون در میدان الکتریک مستقیم (3) وضعیت قرارگیری دی پل ها پس از برداشتن میدان14
شکل 8- اندازه گیری فاصله کشتی از عمق دریا16
شکل 9- بخشی از هندسه شبکه بندی شده در نرم افزار گمبیت22
شکل 10 – نگاهی به روش حل تفکیکی28
شکل 11- نگاهی به روش حل پیوسته30
شکل 12- پانل شرایط مرزی33
شکل 13- پانل ورودی سرعت38
شکل 14- پانل مواد جهت تغییر نام ماده و تنظیم خواص سیال و جامد44
شکل 15- نمودار باقیمانده های حل نرم افزار و همگرایی مسأله45
شکل 16- نمودار همگرایی جواب سرعت در کانال46
شکل 17- نمودار تغییرات چگالی متان بر حسب دما در فشار با توجه به داده های مرجع [11]50
شکل 18- نمودار تغییرات خواص انتقال حرارت لوله با دمای ثابت [3]51
شکل 19- نمودار تغییرات خواص انتقال حرارت لوله با شار حرارتی ثابت [3]51
شکل 20- نمودار تغییرات دما در کانال برای (الف) کانال با دمای دیواره ثابت 400 کلوین و ویسکوزیته ثابت (ب) کانال با شرط مرزی شار حرارتی ثابت 10 وات بر مترمربع و ویسکوزیته ثابت (ج) کانال با دمای دیواره ثابت 400 کلوین و ویسکوزیته تابع دما (د) کانال با شرط مرزی شار حرارتی ثابت 10 وات بر مترمربع و ویسکوزیته تابع دما52
شکل 21- نمودارهای دمای بی بعد لوله با شرط مرزی دما ثابت و شار ثابت53
شکل 22- نمودار تغییرات ویسکوزیته برحسب دما57
شکل 23- کانتور تغییرات ویسکوزیته بر اثر تغییر دما58
شکل 24- مقایسه سرعت محوری در دو حالت با ویسکوزیته تابع دما و ویسکوزیته ثابت59
شکل 25- نمودار تغییرات فشار استاتیک گیج در طول کانال59
شکل 26- نمودار تغییرات سرعت صوت بر حسب دما برای گاز متان [11]61
شکل 27- نمودار تغییرات دما در راستای شعاع و محور کانال در محدوده توسعه یافته دمایی63
شکل 28- جبهه ی انتشار و مسیر نقاط معین روی جبهه ی انتشار امواج در حالت سیال ساکن64
شکل 29- جبهه ی انتشار و مسیر نقاط معین روی جبهه ی انتشار امواج در حالت سیال با سرعت یکنواخت 8/0 سرعت صوت67
شکل 30- جبهه ی انتشار و مسیر نقاط معین روی جبهه ی انتشار امواج در حالت سیال با توزیع سرعت واقعی و بیشترین سرعت سیال 2/0 سرعت صوت67
شکل 31- جبهه ی انتشار و مسیر نقاط معین روی جبهه ی انتشار امواج در حالت سیال با توزیع سرعت واقعی و بیشترین سرعت سیال 5/0 سرعت صوت68
شکل 32- جبهه ی انتشار و مسیر نقاط معین روی جبهه ی انتشار امواج در حالت سیال با توزیع سرعت واقعی و بیشترین سرعت سیال برابر سرعت صوت(شکل شماتیک)68
شکل 33- نمودار شماتیک زوایای ارسال و دریافت موج آلتراسونیک69
شکل 34- مقدار خطای اندازه گیری سرعت سیال با فرض یکنواخت بودن توزیع دما (بر حسب اختلاف دمای متوسط سیال و دمای دیواره)72
شکل 35- مقدار خطای اندازه گیری سرعت سیال با فرض یکنواخت بودن توزیع دما75
شکل 36- مقدار خطای اندازه گیری سرعت سیال با فرض یکنواخت بودن توزیع دما76
شکل 37- مقدار خطای اندازه گیری سرعت سیال با فرض یکنواخت بودن توزیع دمااز قطر داخلی 2 سانتی متر تا 30 سانتی متر شکل76
شکل 38- چارت مرتبط با شیب نمودار خطا بر حسب قطر داخلی فلومیتر77
شکل 39- نمودار Curvefit مرتبط با شکل 3878
1- چکیده
? هدف از این پروژه تحقیق در خصوص تاثیر گرادیان شعاعی دما بر ایجاد خطا در فلومیترهای التراسونیک با تکنولوژی گذر زمان می باشد.این پروژه منحصرا به سیال تراکم ناپذیر و با رژیم جریان متقارن آرام در خطوط لوله انتقال نفت و گاز پرداخته است.این حالت معمولا با فاصله حدودی 100D از خروجی شیرهای فشار شکن انشعاب خطوط تغذیه شهری از مسیرهای IGAT اتفاق می افتد که به دلیل افت فشار و کاهش سرعت در طی دو مرحله دمای سیال کاهش یافته و اختلاف دمایی مابین گاز و محیط افزایش می یابد.
? برای شبیه سازی موضوع فوق از سیال متان جهت مدل سازی عددی استفاده شده است.بطوریکه در ابتدا ضمن مدل سازی شرایط فلومیتر به صورت لوله مستقیم با جریان توسعه یافته آرام دما و سرعت، ضمن لحاظ نمودن تاثیر پروفیل دما بر روی خواص فیزیکی سیال، حل Fluent صورت پذیرفته با نتایج حل تحلیلی مقایسه گردیده است.سپس با استفاده از هندسه مساله و معادله پیشروی صوت در فضا،فرمول تحلیلی لازم جهت محاسبه زمان رفت و برگشت مابین ترانسدیسرها بدست آمده و این زمانها در فرمول تجاری موجود در پردازشگر فلو میتر جایگذاری می شود.لذا میزان افزایش خطا در اثر افزایش گرادیان شعاعی دما در این حالت قابل محاسبه خواهد شد.
مقدمه
حواس آدمی شامل حس‌های بینایی، بویایی، شنوایی، چشایی و لامسه نقش تعیین کننده ای در زندگی او دارند. از بین این حس‌ها بینایی و شنوایی در فواصل دور نیز کار می کنند ولی سه حس دیگر این قابلیت را ندارند. اما در زیر آب شرایط فرق می کند، اجسام در فواصل دور زیر آب قابل دیدن نیستند ولی امواج در زیر آب قابل شنیدن هستند و در فواصل دور منتقل می شوند. تحقیقات نشان داده است که وال ها و دلفین ها در زیر آب از امواج مافوق صوت برای ردیابی مسیر و رسیدن به هدف و برقراری ارتباط استفاده می کنند.
امواج التراسونیک برای اولین بار در هنگام جنگ جهانی اول در ساخت ترانسدیوسرهای زیرآبی به کار رفت. در سال 1912 پس از برخورد کشتی تایتانیک با کوه یخ و غرق شدن آن تحقیقات به سرعت به این نتیجه رسید که در فرکانس های بالا رزولوشن ردیابی کوه یخ بیشتر می شود که این منجر به استفاده از امواج با فرکانس های بالاتر از صوت شد و زمینه را برای اولین بار کار آقای لنجوین1 که پدر امواج التراسونیک شناخته می شود، فراهم کرد. این کار تحقیقاتی در خلال جنگ جهانی اول با همکاری مشترک کشورهای انگلستان و فرانسه برای ردیابی زیردریایی ها انجام شد. فعالیت های آزمایشگاهی این پروژه و تست های آن توسط آقای لنجوین انجام شد. او بعدها تست‌هایی با محدوده ردیابی بالا در حدود 2 کیلومتر انجام داد. با استفاده از کریستال کوارتز برای ساخت ترانسدیوسر محدوده ردیابی تا 6 کیلومتر هم توسعه داده شد. پس از این اختراع پیشرفت‌های حاصل شده در زمینه التراسونیک محدود به زیردریایی ها نشد و به سرعت چندین و چند کاربرد صنعتی و تجاری التراسونیک ابداع شد.
استفاده از روش زمان عبور التراسونیک برای دبی سنجی بر اساس اختلاف سرعت صوت در راستای جریان و خلاف جهت جریان می باشد. این روش سرعت متوسطی برای طول مسیر صوتی معین می دهد. برای تبدیل این سرعت مسیر به سرعت متوسط جریان در تمام سطح مقطع جریان، لازم است تا شناختی مناسب از پروفیل سرعت جریان وجود داشته باشد. هدف این پروژه به بررسی تأثیر گرادیان شعاعی دما بر مقدار سرعت به دست آمده به کمک این روش است.
اصول کلی این روش در شکل 1 دیده می شود. دو ترانسدیوسر2 التراسونیک که به صورت نقطه ای در نقاط A و B تصور می شوند، پالس های صوتی کوتاه به صورت مایل و با زاویه ? نسبت به محور لوله ارسال و دریافت می کنند. سیگنال بالارونده3 از B به A تأخیر دارد در حالی که سیگنال پایین رونده4 از A به B با سیال رونده سرعت می‌گیرد. زمان عبور سیگنال بالارونده و زمان عبور سیگنال پایین رونده اندازه گیری می شود.
اگر جریان به صورت محوری یکنواخت باشد و سرعت صوت در سیال ثابت باشد که مستلزم ثابت بودن میدان دماست، سرعت می تواند به کمک رابطه زیر به دست آید.
(1-1)که شعاع لوله است و اختلاف زمان عبور نامیده می شود.
شکل 1- پایه های روش اندازه گیری دبی سنج زمان عبور التراسونیک [1]
بدیهی است ساده سازی های انجام شده در رابطه 1 تنها برای تخمین کلی جریان مفید است. در جریان آرام عملاً در نظر گرفتن پروفیل سرعت یکنواخت خطای زیادی ایجاد می کند. از سوی دیگر در کار حاضر بررسی میدان دما مسأله اصلی می باشد که باید در تخمین زمان عبور سیگنال در نظر گرفته شود. تغییر دما سبب تغییر ویسکوزیته سیال می شود و به نوبه خود سبب تغییر پروفیل سرعت از پروفیل سرعت سهمی هاگن-پوازیه می شود. به همین دلیل در این کار برای در نظر گرفتن تأثیر تغییر ویسکوزیته سیال با دما بر میدان جریان از شبیه سازی عددی استفاده می شود. البته می توان برای ارزیابی جواب ها در نمونه مسأله ای از تأثیر گرادیان دما بر ویسکوزیته صرف نظر کرد و پاسخ های حل عددی را صحه گذاری کرد.
با توجه به این مقدمه پیشنهاد می شود در کار حاضر میدان جریان و دما در شرایط زیر بررسی گردد.
جدول 1- شرایط بررسی میدان جریان و دما
رژیم جریانشرط مرزی حرارتیتابعیت ویسکوزیته با دماآرامدمای ثابتویسکوزیته ثابتویسکوزیته تابع دماشار حرارتی ثابتویسکوزیته ثابتویسکوزیته تابع دما
کار مشابهی که به این روش انجام شده است در مرجع [2] آمده است. این رساله شامل سه بخش اصلی می‌باشد، دینامیک سیالات، آکوستیک و برهم‌کنش بین این دو بخش. در این کار شبیه‌سازی عددی و اندازه‌گیری‌های منحنی دبی سنجی التراسونیک برای هندسه های مختلف آورده شده است. شبیه سازی عددی دبی‌سنجی التراسونیک می‌تواند در فرآیندی دو مرحله‌ای انجام شود.
1- شبیه سازی میدان جریان درون دبی سنج با استفاده از نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی تجاری
2- شبیه سازی پیش روی صوت در دبی سنج به کمک روابط سرعت صوت در جریان
1-1- دبی سنج ها
انواع گوناگونی از دبی سنج ها وجود دارد. انواع قوانیین فیزیکی مربوط به حرکت سیال در کانال برای اندازه گیری دبی سیال استفاده شده است. این روش ها عبارتند از:
روش های مکانیک که سیال را به بخش هایی با مقدار مشخص تقسیم می کنند (ابزارهای اندازه گیری جابجایی مثبت)
اندازه گیری های فشاری (ابزارهای اختلاف فشار)
برهم کنش میدان های الکترومغناطیس یا صوتی با سیال در جریان (دبی سنج های الکترومغناطیس و زمان عبور التراسونیک)
اندازه گیری های مربوط به اینرسی (ابزارهای کوریولیس)
برهم کنش جریان و پره های متحرک یا موانع ثابت (توربین و گردابه و روتامتر)
تشخیص سرعت ذرات معلق در جریان (دبی سنج های التراسونیک داپلر)
البته شاید دقیق ترین روش های اندازه گیری حجم مایع نیازمند تکنولوژی بسیار ساده برای اندازه گیری کمیت های اساسی: مقیاس ها، دماسنج و دانستن چگونگی تغییرات چگالی سیال با دماست. برای اندازه گیری های آنی، هنگامی که نمی توان جریان سیال را دستکاری کرد، دقیق ترین روش با استفاده از دبی سنج های “جابجایی مثبت” به دست می آید. اما این طراحی ها به دلیل ضعف های مربوط به اینرسی قطعات مکانیکی متحرک محدوده اندازه گیری دبی کوچکی دارند و کمتر استفاده می شوند.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

بسیاری طراحی های جایگزین دبی سنج، کمیتی را که کاملاً وابسته به حرکت سیال در لوله است را اندازه نمی گیرند. اغلب تنها نمونه ای از میدان جریان کامل با فرض اینکه این بخش کاملاً بیان گر حرکت متوسط است اندازه گیری می شود. از این رو عملکرد دقیق در آزمایشگاه در خلال کالیبره کردن می تواند به طور چشمگیری در اثر تغییر شرایط ورودی جریان از حالت ایده آل تغییر کند.
1-1-1- دبی سنج های التراسونیک
دبی سنج های التراسونیک پتانسیل اندازه گیری دقیق حجم سیال را در بازه گسترده ای از دبی با استفاده از هندسه ساده را بدون استفاده از قطعات متحرک می دهند. یک دبی سنج التراسونیک ایده آل اندازه گیری های دقیقی مستقل از تأثیرات خارجی، مانند زمان، دما، دبی و شرایط نصب خواهد داد.
1-1-2- یک دبی سنج التراسونیک ایده آل
1-1-2-1- مستقل از نصب
دبی سنج های التراسونیک، در مقایسه با ابزارهای سنتی، مزایایی از جمله نسبت بالای خاموشی و قیمت کم ابزارهای الکترونیکی بدون قطعه متحرک را دارند. البته مشابه بسیاری ابزارها، نصب دقیق این تجهیزات برای جلوگیری از تأثیر پذیری از جریان های ورودی غیر ایده آل با توجه به حضور شیرهای نیمه بسته و یا خم هایی در بالادست جریان ضروری است. یک ابزار ایده آل عملکردی مستقل از شرایط نصب یعنی شرایط جریان ورودی دارد. خطاهایی در محدوده 1 تا 5 درصد برای دبی سنج های التراسونیکی که به اندازه 10 برابر قطر در پایین دست اتصالات نصب شده اند و خطاهای بالاتر 33 درصد در حالت بدتر برای دبی سنج التراسونیک بلافاصله پایین دست شیر نیمه باز ثبت شده است. رابطه بین این تغییرات در عملکرد دبی سنج و پروفیل دبی ورود پیچیده است و بسیار کم شناخته شده است زیرا برهم کنش اساسی بین جریان و امواج فراصوت در لوله وجود دارد.
1-1-2-2- منحنی کالیبراسیون پایدار
یک دبی سنج ایده آل، یک منحنی کالیبراسیون خطی دارد، یعنی رابطه خطی بین دبی و مقدار اندازه گیری خوانده شده وجود دارد. بسیاری دبی سنج ها این گونه ایده آل نیستند. به عنوان مثال یک دبی سنج التراسونیک ممکن است با کاهش دبی مقادیر بیشتری بخواند. این موضوع مسأله خاصی ایجاد نمی کند به شرطی که این پدیده تکرار پذیر باشد، یعنی دبی های اندازه گیری شده جریان هنگام کالیبراسیون مستقل از شرایط خارجی مانند زمان، دما و شرایط ورودی جریان باشند. در حالی که استقلال از شرایط ورودی جریان ممکن است نیازمند تعیین شرایط جریان است، استقلال از زمان، دما و خواص سیال نیازمند شرایط پایدار جریان در سلول اندازه گیری است. از این رو طبیعت و پایداری الگوهای جریان در دبی سنج التراسونیک پیش از تعیین طراحی مطلوب باید شناخته شود.
1-2- نیم قرن توسعه دبی سنج های التراسونیک
پنجاه سال پیشتر تقریباً هیچ تولیدکننده در هیچ کجای جهان به طور انبوه دبی سنج التراسونیک تولید نمی کرد. امروزه حدود 50 تولیدکننده وجود دارند. مطابق شکل 2 فروش سالانه در سال 2005 میلادی بالغ بر 108*3 دلار آمریکا بوده است. در حالی که فروش سالانه تمامی انواع دبی سنج حدود 109*3 دلار آمریکا بوده است. این به معنای آن است که دبی سنج های التراسونیک 10 درصد حجم فروش انواع دبی سنج را به خود اختصاص داده اند. در تلاشی برای درک این رشد چهار جنبه تکنیکی دبی سنج های زمان عبور التراسونیک یا انتشارمعکوس5 مورد توجه قرار گرفته است. به نظر می رسد انتشار معکوس نخستین مدلی است که برای کاربردهای گسترده صنعتی، تجاری شده است. این مدل امروزه بیش از نیمی از حجم بازار فروش را به خود اختصاص داده است.
شکل 2- فروش سالانه دبی سنج های التراسونیک از سال 1955 تا 2005 [10]
علاوه بر قیمت، اندازه، وزن و کاهش قدرت چهار جنبه تکنیکی که برای بهبود و رشد دبی سنج های التراسونیک لازم است عبارتند از: (1) کاربرد آسان (2) دقت بالا علی رغم عدم قطعیت پروفیل ورودی (3) اندازه گیری سرعت جریان به علاوه یک یا چند پارامتر دیگر به عنوان مثال دما، چگالی وزن مولکولی متوسط گاز، انرژی جریان گاز طبیعی (4) اندازه گیری زمان عبور با دقت بالا بدون پرش سیکلی، در خلاف جریان و در جریان های بالا به عنوان مثال جریان گاز یا بخار در ماخ های بالا 1/0 و بالاتر.
بهبود تکنیکی این چهار جنبه برای توضیح پیشرفت کافی نیست. علی رغم تلاش برای تشریح مقبولیت و رشد دبی سنج های التراسونیک بر اساس برخی جنبه های تکنیکی، تشریح اساسی همه جنبه ها ممکن نیست. بلوغ صنعت فراصوت مدیون توسعه همزمان محیط دیجیتال، دانش پردازش سیگنال و کاربرد همزمان فراصوت در کاربردهای متفاوت به عنوان مثال پزشکی است.
1-3- التراسونیک چیست؟
التراسونیک علم بررسی امواج صوتی است که فرکانس بالاتر از محدوده شنوایی انسان دارند. فرکانس امواج صوتی آهنگ یا زیر و بم بودن آن‌ها را مشخص می‌کند. فرکانس‌های بالا صداهای زیر تولید می کنند و فرکانس های پایی صداهای بم. امواج التراسونیک امواجی هستند که گامشان به قدری بزرگ است که به وسیله گوش انسان قابل شنیدن نیستند. فرکانس های بالاتر از 18 کیلوهرتز معمولاً التراسونیک هستند. فرکانس هایی که برای کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند بین 20 تا 50 کیلو هرتز هستند.
1-3-1- تولید امواج صوتی
یک موج صوتی وقتی ایجاد می شود که یک حرکت گذرا مانند شوک یا حرکت تکرار شونده مانند حرکت ارتعاشی به قسمتی از جسمی که قابلیت انتشار امواج را دارد اعمال می شود. مطابق شکل 3 جابجایی هوا به وسیله مخروط بلندگوی رادیو نمونه خوبی از امواج صوتی ارتعاشی تولید شده به وسیله جابجایی مکانیکی است. وقتی که مخروط بلندگو به جلو و عقب حرکت می کند هوای جلوی مخروط دائماً فشرده و کشیده می شود تا امواج صوتی ایجاد کند که این امواج در هوا حرکت می کنند تا پخش شوند.
شکل 3- چند نمونه از ایجاد امواج صوتی
امواج صوتی که به وسیله شوک ایجاد می شوند نمونه دیگری از امواج هستند. آشناترین پدیده رعد و برق است که در اثر تخلیه بارهای الکتریکی ناشی از برخورد ابرها ایجاد و منتشر می شود. مثال دیگر وقتی است که یک چوب روی سطح سیمانی سقوط آزاد می کند.
1-3-2- طبیعت امواج صوتی
برای انتشار امواج صوتی، ماده مورد نیاز است. آنچه منتقل می‌شود در واقع آشفتگی ایجاد شده در اتم‌های بخشی از ماده است. باید توجه کرد که ماده خودش جایی نمی رود بلکه آشفتگی است که منتقل می شود. به عنوان مثال به انتشار امواج طولی داده شده در شکل 4 توجه نمایید. نقطه هایی که نشان داده شده اند. بیانگر ذرات ماده هستند که تحت تأثیر امواج صوتی به جلو و عقب می روند. منظور از ذرات در اینجا یک المان حجمی از جسم است که متشکل از میلیون‌ها ملکول است. اندازه این ذره به گونه ای است که متغیرهای آکوستیکی نظیر فشار، چگالی و سرعت در این المان ثابت است.
نواحی که تحت عنوان A در شکل مشخص شده‌اند جاهایی هستند که در آن‌ها فشردگی اتفاق می‌افتد و در نواحی که تحت عنوان B مشخص شده اند جاهایی هستند که در آن‌ها کشیدگی اتفاق می‌افتد و در اثر کشیدگی چگالی در این نواحی کم است.
شکل 4- انتشار امواج صوتی در مولکول های جسم
در یک لحظه خاص هر یک از ذرات جابجایی به سمت راست یا چپ دارند. طول موج مسافتی است که موج بین دو مقدار فشردگی یا کشیدگی حداکثر می پیماید. فرکانس امواج صوتی تعداد موج هایی است که از یک نقطه مشخص در هر ثانیه می گذرد.
حال که ارتعاشات پیوسته و دوره ای وجود دارد باید راهی برای یافتن اینکه کجا موج به بیشینه جابجایی خود می رسد پیدا شود و این کار بوسیله تعریف فاز برای موج امکان پذیر می شود. به بیان دیگر فاز یک موج صوتی تعریف می شود تا بتوان مشخص نمود که موج در هر لحظه در چه بخشی از سیکل ارتعاشی خود قرار دارد. واحد اندازه گیری فاز زاویه است. یک سیکل ارتعاشی کامل در 360 درجه اتفاق می افتد.
1-3-3- ترانسدیوسرهای التراسونیک
ترانسدیوسرهای التراسونیک در دو نوع مگنتواستریکتیو و الکترواستریکتیو موجود می باشند. ترانسدیوسرهای مگنتو استریکتیو که در شکل 5 دیده می شود از لایه های فرومغناطیس نیکل که با سیم های الکتریکی احاطه شده اند، تشکیل شده اند در هنگام کارکرد چنین ترانسدیوسرهایی میدان مغناطیسی متناوب ایجاد شده موجب حرکت ارتعاشی لایه های نیکل می شود در نتیجه امواج ایجاد شده از طریق ترانسدیوسر به سیال منتقل می شوند. ترانسدیوسرهای مگنتواستریکتیو ترانسدیوسرهایی هستند که در فرکانس های پایین می توانند کار کنند، در فرکانس های بالاتر از 30 کیلو هرتز نمی توانند به خوبی کار کنند. زیرا مقدار افت در آنها بالا می رود. ترانسدیوسرهای مگنتواستریکتیو با ولتاژهای بالا و جریان پایین کار می کنند و نیاز به پلاریزه شدن ندارند. هنگام استفاده از این ترانسدیوسر ها ممکن است به گوش انسان آسیب وارد شود.
شکل 5- ترانسدیوسر مگنتو استریکتیو
همان گونه که در شکل 6 دیده می شودترانسدیوسرهای الکترواستریکتیو یا پیزوالکتریک از کریستال های سرامیک تشکیل شده اند که به راحتی در اثر میدان الکتریک منبسط و فشرده می شوند. در ابتدا از کریستال کوارتز استفاده شد. بعد ها از باریم تیتانیت استفاده گردید. عیب استفاده از کوارتز قیمت بالای آن و عیب استفاده از باریم تیتانیت حداقل دمای کارکرد آن یعنی 70 درجه سانتیگراد است.
شکل 6- ترانسدیوسر الکتروستریکتیو با ساختار ساندویچی
ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک با ولتاژ زیاد و جریان کم کار می کنند و در تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی کمترین افت یعنی کمتر از 10 درصد را دارند. کریستال سرامیک پیزوالکتریک در یک ساختار اصطلاحاً ساندویچی به کمک صفحه پشتی فولادی و صفحه جلوی آلومینیومی برای محافظت از پیزوالکتریک ها و انتقال مناسب تر انرژی آکوستیکی به سیال به کمک یک پیچ فشرده می شود.
این چنین ساختار ساندویچی به منظور اتصال ترانسدیوسر به بدنه تانک و تنظیم کردن فرکانس اصلی سیستم با توجه به تنظیم میزان فشردن پیچ اتصال مورد استفاده قرار می گیرد.
سرامیک پی-زد-تی6 در هنگام تولید در معرض میدان بسیار قوی الکتریکی قرار می گیرد و این موجب می شود دی پل های الکتریکی در سرامیک هم جهت شوند. هر دی پل از گروهی از باندهای مولکولی متصل به هم در سرامیک تشکیل شده است. این دی پل ها وقتی پلاریزه می شوند، ساختار واحدی را تشکیل می دهند. وقتی پتانسیل الکتریک به پیزو اعمال می شود دی پل ها بر حسب جهت میدان فشرده یا کشیده می شوند. این دی پل ها طوری در کریستال سرامیک قرار گرفته اند که همه قطب های مثبت آن ها در یک جهت و تمامی قطب های منفی آن ها در جهت دیگر قرار گرفته اند. حالات مختلف دی پل ها در شکل 7 نمایش داده شده است.
شکل 7- وضعیت دی پل ها در کریستال پیزو الکتریک در حالت های مختلف (1) قرارگیری تصادفی دی پل های ماده پیزو الکتریک پیش از پلاریزاسیون (2) پلاریزاسیون در میدان الکتریک مستقیم (3) وضعیت قرارگیری دی پل ها پس از برداشتن میدان
وقتی که پتانسیل الکتریکی به کریستال پلاریزه شده اعمال می شود دی پل های موجود همگی موجب می شوند که کریستال کشیده یا فشرده شود. هر که کریستال کشیده شود حرکت مولکولی را به شکل امواج صوتی یا فشاری منتقل می کند. با درک درست از دی پل ها و اینکه آن ها چگونه کار می کنند می توان به ماهیت عملکرد یک ترانسدیوسر پی برد. یک ترانسدیوسر می تواند سیگنال را به صورت الکتریکی دریافت کرده و آن را به سیگنال مکانیکی تبدیل کند. این اساس تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی ترانسدیوسر است. هرگاه ترانسدیوسر در معرض دماهای بسیار بالا یعنی دمایی بالاتر از دمای کوری سرامیک قرار بگیرد دی پل ها وضعیت منظم خود را از دست می دهند و ترانسدیوسر دی پلاریزه می شود و نمی تواند به درست کار کند.
1-4- اندازه گیری فراصوت
یکی از مزایای استفاده از فراصوت دراندازه گیری این است که ما توسط آن می توانیم به یک اندازه ی دیجیتال برسیم، بدون اینکه نیازی به مبدل7ADC برای تبدیل سیگنال آنالوگ8 داشته باشیم.
دراکثرکاربردها، سرعت حرکت موج فراصوتی وزمانی که یک فاصله مورداندازه گیری را طی می کندلازم می باشند.
ازیک نقطه نظردیگر، یکی دیگرازمزایا این می باشدکه سرعت انتشارموج های فراصوتی بسیارکمتر ازامواج الکترومغناطیسی9 می باشند. بنابراین نیاز به سخت گیری ها و دقت کمتری درمدارالکترونیکی می باشد.
ازطرف دیگراستفاده ازموج فراصوتی اشکالاتی نیز دارد. بخصوص وابستگی زیادسرعت موج به پارامترهای محیط و تضعیف و پراکندگی شدیدآن.
این مسائل حیطه ی کاربردامواج فراصوتی راتعیین میکنند. اولا آنها نسبت به الکترومغناطیس درفاصله های کمتری کاربرددارند.ثانیا درمواردی که نیازبه یک اندازه گیری دقیق داریم، روش های فراصوتی بسیارپیچیده می گردند.زیرابایدتغییرات درپارامترهای محیطی را بگونه ای جبران کرد.
تا حدودی بااستفاده ازترنسدیوسرهای شبکه ای می توان مشکلات ناشی از پراکندگی را خنثی کرد.درادامه به چندکاربرد کلی فراصوت اشاره ای می کنیم.
3-1-1- اندازه گیری فاصله وسطح
بدست آوردن فاصله یکی ازقدیمی ترین شیوه ها و تکنیک هایی ست که فراصوت درآن کاربرددارد.
در موزه ی صنعتی مونیخ، یک عمق سنج مربوط به جنگ جهانی دوم موجودمی باشدکه با تکنیک های فراصوتی کارمی کرده است.این تجهیزات اولین مترهای فراصوتی می باشندکه برای سنجیدن عمق دریا10 وبرای پیداکردن زیردریایی ها و بدست آوردن عمق11 آنها کاربرد دارند. در شکل 8 شماتیک این کاربرد دیده می شود.
شکل 8- اندازه گیری فاصله کشتی از عمق دریا
اولین این وسایل درسال1912 توسط ریچاردسون، بعد از غرق شدن تایتانیک اختراع شد.این وسیله برای یافتن صخره های یخی که درآن زمان یک تهدید بزرگ برای کشتی ها بود بکارگرفته شد.
1-4-1- اندازه گیری موقعیت
مقادیرمکانیکی مانندفاصله، موقعیت، حرکت، ضخامت، سرعت و …به یک گروه مقادیرفیزیکی اختصاص دارندکه بسیار اندازه گیری می شوند.اندازه گیری سایرمقادیرفیزیکی به طورغیرمستقیم ازهمین مقادیرناشی می شود.بنابراین اندازه گیری این گروه پیچیده ترومشکل تر می باشد.
درمقایسه باسایرروش ها، فراصوت به کاربراجازه می دهدکه به طراحی وسایل ساده برای اندازه گیری های موقعیت دوبعدی و سه بعدی بپردازد.
این مطلب به خاطر انتشار حدود 6 مرتبه کندترموج های فراصوتی نسبت به موج های الکترومغناطیسی می باشد.
علاوه براین تولید منابع موج کره ای واستوانه ای توسط ترنسدیوسرهای مدرن بسیارساده می باشد.ترنسدیوسرهای فراصوتی غالبا می توانند ایجادکننده وگیرنده موج بطورهمزمان باشند.
همه ی این مواردموجب می شوندکه اندازه گیری های دوبعدی و سه بعدی با آلتراسونیک ساده تر انجام شود.
بطور کلی برای اندازه گیری موقعیت و ابعاد، روش های مبتنی برموج بهترین روش ها می باشند.هردوی موج های آلتراسونیکی و الکترومغناطیسی دارای مزایا و معایب خود هستند.
درالکترومغناطیس یک دامنه فرکانس گسترده تری استفاده می شود.هردوی این روش ها غیرتماسی هستند.یکی از معایب روش الکترومغناطیس درمقایسه با آلتراسونیک، سرعت انتشار بالای آن می باشد که موجب می شوند در طول های کم چندان کاربردی نداشته باشند، علاوه بر آن تولید منبع موج کره ای ممکن نمی باشد.
1-4-2- اندازه گیری فراصوتی سرعت جریان سیال
درسال های اخیر، نوع های مختلفی ازفرمان12 های جریان آلتراسونیکی طراحی و اختراع شده اند. جذابیت و مزیت این نوع گیج ها دراین است که جریان مایع را به تا خیر نمی اندازند و به همین علت در اندازه گیری هدر رفتن نداریم.
آنها نیازی به نگهداری منظم ندارند و ویسکوزیته سیال نقش مهمی را ایفا نمی کند.با توجه به اینکه عملکرد این گیج ها به سرعت صوت درمایع بستگی ندارد می توانند در یک دامنه ی وسیعی از دما استفاده شوند.
روش های اندازه گیری آلتراسونیکی برای سرعت جریان مایع براساس برهم کنش جاذبه ی محیط با محیط جریان می باشد. این روش مزایایی دارد، از جمله اندازه گیری غیرتماسی بدون ارتباط با رسانایی محیط، عدم افت در لوله ها و . . . . و یکی از عیوب آن نیز نیاز به مدارهای الکترونیکی پیچیده می باشد.
1-4-3- اندازه گیرى ضخامت ماده
یکی از ساده ترین کاربردهای فراصوت اندازه گیری ضخامت ماده می باشد.روش کار به این صورت است که با دانستن سرعت موج دریک ماده بخصوص، پس از ارسال موج می توان زمان رفت و برگشت رابدست آورد و با داشتن این دوطول طی شده که همان ضخامت ماده می باشد نیزبدست می آید.
1-4-4- اندازه گیرى دما و فشار
دماسنج هاى آلتراسونیکى معمولا طبق این اصل طراحى مى شوند که سرعت صوت در محیط ، به دمای آن بستگی دارد.طبق این مطلب ازدواصل ابتدایی استقاده می شود:
1 – رزونانس 2 – براساس پالس
انتشار صوت در گازها ، مایعات و جامدات تحت تاثیرفشار ازطرق مختلف قرار دارد. در جامدات فشار موجب یک ناهمسانگردی می شود.در مایعات، تاثیر فشار روی سرعت انتشار، مانند تاثیر آن روی جذب آن، کم می باشد. در گازها سرعت انتشار صوت با ازدیاد فشار زیاد می شود با وجود اینکه مقدار جذب ?، یک رابطه ی عکس با فشار دارد.
پاسخ کریستال های کوارتز به فشار P، تقریبا خطی می باشد، با این وجود نیازبه جبران دمایی دارد.اصل دیگر براساس اندازه گیری ارتفاع ستون جیوه می باشد. یک ترنزدیوسر پیزوالکتریکی که درکف یک ستون جیوه جایگذاری شده است، پالس های آلتراسونیکی به سطح جیوه ساتع می کند و اکو منعکس شده ازسطح را دریافت می کند. اگر دو ترنزدیوسر در دو ستون جیوه باشد، در حالیکه
یکی از آنها به فضای اندازه گیری مرتبط است و دیگری به اتمسفرمحیط وصل است ،زمان انتشار به تفاوت ارتفاع دو ستون بستگی دارد .
2- روش ساخت مدل در پیش پردازنده گمبیت
فلوئنت یک برنامه دوبخشی است، شامل یک پیش‌پردازنده به نام گمبیت و یک بخش اصلی به نام فلوئنت . نرم‌افزار گمبیت برای تعریف هندسه و ایجاد یک مش‌بندی مناسب برای مسأله‌ای که قرار است مدل شود، بکار می‌رود. سپس اطلاعات شبکه از گمبیت به فلوئنت وارد می‌شود. نرم‌افزار گمبیت برای کمک به تحلیل‌گران و طراحان جهت ساخت مدلهای مش‌بندی شده برای دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و سایر کاربردهای علمی، طراحی شده است. گمبیت ورودی های کاربر را از طریق واسطه گرافیکی13 دریافت می‌کند. واسطه گرافیکی گمبیت گامهای اصلی ساخت و مش‌بندی یک مدل را آسان می‌کند، و برای تطبیق دادن محدوده زیادی از کاربردهای مدلسازی به اندازه کافی فراگیر است. گزینه‌های مش‌بندی در گمبیت شامل مش‌های ساخت یافته14 و غیر ساخت یافته در دو یا سه‌بعد می‌باشند. همچنین ابزارهایی برای کنترل کیفیت مش دارد. در این مطالعه از نرم‌افزار گمبیت برای ساخت و مش‌بندی کلیه مدلهای محاسباتی استفاده شده است.
بنابراین می بایست که ابتدا بخشی را که سیال در آن جریان دارد به عنوان حجم کنترل در نرم افزار گمبیت طراحی نماییم، سپس شرایط مرزی مختص آن را برای هریک از صفحاتی که این حجم کنترل را بوجود آورده اند بصورت جداگانه تعریف می نماییم. پس از انجام این مراحل حجم بدست آمده را مش بندی (شبکه بندی) نموده و از آن فایلی با پسوند msh می سازیم تا بتوان آنرا به فلوئنت معرفی نمود.
2-1- طراحی مدل در گمبیت
در محیط این نرم افزار می توانیم هندسه مورد نظر را رسم کنیم. در صورتیکه مدل عددی فلوئنت مورد تأیید قرار گیرد و تا حدودی می توان گفت اگر مدل های ریاضی مورد تأیید قرار گیرند و کاربران بتوانند طوری با این مدلها کار کنند که بتوان به نتایج آن اعتماد نمود، به جرأت می توان این مدل ها را جایگزین مدل های پر هزینه و زمان بر فیزیکی نموده و از آنها برای طراحی پروژه های مختلف استفاده نمود. البته جهت انجام یک طرح با مدل عددی ابتدا باید آنرا با توجه به شرایط متفاوتی که طرح مورد نظر با شرایط پیش فرض مدل جهانی فلوئنت دارد، صحت سنجی نمود، که این مبحث بطور کامل در فصل بعد مورد بررسی قرار خواهد گرفت. حال به ایجاد یک حجم کنترل مناسب با توجه به شرایطی که در یک مدل فیزیکی مورد آزمایش قرار گرفته است در گمبیت می پردازیم.
2-2- تولید مش در گمبیت برای شبیه‌سازی جریان
محاسبه موفق جریان نیاز به مش‌بندی دارد. در شکل 8 شبکه بندی بخشی از هندسه جریان دیده می شود. شبکه در راستای شعاع که گرادیان های بالاتری وجود دارد ریز تر و در راستای محور کانال درشت تر است. هندسه در راستای شعاع به 100 و در راستای طولی به 3000 قسمت تقسیم شده است
شکل 9- بخشی از هندسه شبکه بندی شده در نرم افزار گمبیت
2-3- ایجاد شرایط مرزی مدل در گمبیت
پس از انجام مش بندی مدل می بایست شرایط مرزی15 مدل را برای تمامی صفحات موجود در این حجم کنترل مشخص نماییم. در قسمت ورودی جریان به لوله می توان از شرط سرعت ورودی16 که در گمبیت موجود است، استفاده نمود. در قسمت خروجی لوله در مدل فلوئنت از شرط خروجی جریان17 استفاده می نماییم. بجز قسمتهای ورودی و خروجی دیواره بالایی به صورت دیوار18 و خط مرکزی لوله در هندسه دوبعدی به صورت محور19 در نظر گرفته می شود.
2-4- ذخیره نمودن فایل در گمبیت

پس از انجام تمامی مراحل فوق الذکرهم اکنون مدل ما برای معرفی به نرم افزار اصلی مورد بحث در این پایان نامه آماده گردیده است، هم اکنون برای اینکه بتوانیم مدل را به فلوئنت معرفی نماییم باید مدل را اصطلاحاً اکسپورت نماییم، برای این کار از منوی فایل گزینه اکسپورت و از آنجا گزینه مش را انتخاب می نماییم و در دایرکتوری مورد نظر ذخیره می نماییم. بطور کلی در گمبیت می توان فایل مورد نظر را با چهار پسوند dbs, jou, trn و msh ذخیره نمود که در این بین پسوند msh برای فلوئنت قابل شناسایی است.
3- معادلات حاکم
فلوئنت مدلهاى جامعى براى بازه بسیار بزرگى از مسایل ، شامل جریانهاى قابل تراکم و غیرقابل تراکم ، آرام و متلاطم، ارایه مى دهد. در فلونت، دامنه وسیعى از مدلهاى ریاضى براى پدیده هاى انتقال (نظیر انتقال حرارت و واکنشهاى شیمیایی) با قابلیت مدل کردن هندسه پیچیده ، ترکیب شده است .
3-1- معادلات حاکم بر سیال
براى تمام جریانها، فلوئنت معادلات بقاى جرم و مومنتم را حل مى کند. براى جریانهاى شامل انتقال حرارت یا تراکم پذیرى، معادلات بقاى انرژى نیز حل مى شود. معادلات انتقال اضافى نیز، زمانى که جریان مغشوش باشد حل مى گردد. در این قسمت ، معادلات بقا براى جریانهاى آرام ارایه مى شود.
3-1-1- معادله بقاى جرم
معادله بقاى جرم ، یا معادله پیوستگى، به صورت زیر نوشته مى شود :
(3-1)معادله بالا یک شکل کلى از معادلات بقاى جرم براى جریانهاى قابل تراکم و غیرقابل تراکم مى باشد.عبارت Sm جرم اضافه شده به فاز پیوسته از فاز دوم منتشر شده ، مى باشد (حالت تبخیر از قطرات مایع مثالى از این حالت است ).
براى هندسه هاى متقارن دوبعدى، معادله بقاى جرم به صورت زیر درمى آ ید :

دسته بندی : پایان نامه ها

پاسخ دهید