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 لنجوین 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 ترانسدیوسر التراسونیک که به صورت نقطه ای در نقاط A و B تصور می شوند، پالس های صوتی کوتاه به صورت مایل و با زاویه α نسبت به محور لوله ارسال و دریافت می کنند. سیگنال بالارونده از B به A تأخیر دارد در حالی که سیگنال پایین رونده از A به B با سیال رونده سرعت می‌گیرد. زمان عبور سیگنال بالارونده و زمان عبور سیگنال پایین رونده اندازه گیری می شود.

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فهرست مطالب

چکیده………………………………………………………………………………………….. 1
مقدمه …………………………………………………………………………………………..2
1-1- دبی سنج ها……………………………………………………………………………. 6
1-1-1- دبی سنج های التراسونیک………………………………………………………… 7
1-1-2- یک دبی سنج التراسونیک ایده آل…………………………………………………. 7
1-2- نیم قرن توسعه دبی سنج های التراسونیک ………………………………………..8
1-3- التراسونیک چیست؟…………………………………………………………………. 10
1-3-1- تولید امواج صوتی………………………………………………………………….. 10
1-3-2- طبیعت امواج صوتی……………………………………………………………….. 11
1-3-3- ترانسدیوسرهای التراسونیک…………………………………………………….. 13
1-4- اندازه گیری فراصوت………………………………………………………………….. 16
1-4-1- اندازه گیری موقعیت……………………………………………………………….. 18
1-4-2- اندازه گیری فراصوتی سرعت جریان سیال…………………………………….. 19
1-4-3- اندازه گیرى ضخامت ماده………………………………………………………… 20
1-4-4- اندازه گیرى دما و فشار …………………………………………………………..20

اندازه گیری فاصله کشتی از عمق دریا

اندازه گیری فاصله کشتی از عمق دریا

2- روش ساخت مدل در پیش پردازنده گمبیت….. 22

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 گرافیکی[1] 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 یافته[2] 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…………………………………………………………….. 23

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 شبیه سازی جریان…………………………………… 23

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.
2-3- ایجاد شرایط مرزی مدل در گمبیت………………………………………………….24
2-4- ذخیره نمودن فایل در گمبیت………………………………………………………. 24

جبهه ی انتشار و مسیر نقاط معین روی جبهه ی انتشار امواج در حالت سیال ساکن

جبهه ی انتشار و مسیر نقاط معین روی جبهه ی انتشار امواج در حالت سیال ساکن

3- معادلات حاکم………………………………………… 26

3-1- معادلات حاکم بر سیال…………………………………………………………….. 26

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 .
3-1-1- معادله بقاى جرم…………………………………………………………………. 26
3-1-2- معادلات بقاى مومنتم……………………………………………………………. 27
3-1-3- معادله بقای انرژی………………………………………………………………… 28
3-2- روش های عددی حل معادلات در فلوئنت………………………………………… 29
3-2-1- روش حل تفکیکی………………………………………………………………… 30
3-2-2- روش حل پیوسته…………………………………………………………………. 31

این روش همان الگوریتم حلی است که با استفاده از آن معادلات حاکم بر جریان شامل پیوستگی، مومنتم و (در جای مناسب) انرژی و اجزاء شیمیایی به طور هم زمان حل می شوند (یعنی به یکدیگر پیوسته اند).

معادلات حاکم برای اسکالرهای اضافی در ادامه با استفاده از روشی که برای حل کننده تفکیکی توضیح داده شد، حل خواهند شد (یعنی به صورت جدا از یکدیگر و جدا از مجموعه پیوسته). از آنجا که معادلات حاکم غیر خطی اند (و پیوسته اند) چندین تکرار در حلقه فرآیند حل قبل از به دست آوردن حل همگرا، باید انجام گیرد. هر تکرار شامل مراحلی است که در شکل 11 نشان داده شده است و در زیر توضیح داده شده اند:

کانتور تغییرات ویسکوزیته بر اثر تغییر دما

کانتور تغییرات ویسکوزیته بر اثر تغییر دما

4- مراحل مدل سازی…………………………………. 33

بسته نرم افزاری گمبیت برای کمک کردن به طراحان در تولید هندسه و به صورت اختصاصی تولید مشها و شبکه ها درکاربرد دینامیک سیالات محاسباتی طراحی شده است. در واقع بسته نرم افزاری گمبیت یک پیش پردازنده برای نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی نظیر فلوئنت است که خروجی های این برنامه پیش پردازنده به شکل فایل های ورودی برای نرم افزار فلوئنت می باشند. )در پیوست الف مختصری راجع به این پیش پردازنده بیان شده است.(

در پیش پردازنده گمبیت ابتدا در منوی عملیات[1]  با انتخاب قسمت هندسه[2]  شکل هندسی مورد نظر  ساخته می شود و سپس مش بندی نموده و شرایط مرزی مناسب، برای هر کدام از خطوط مرزی تعریف می شود. در مدلی که برای این پروژه به کار رفته است خطوط مرزی “ورودی سرعت” و “دیواره” و “خروجی فشار” تعریف شده است.

کنسول فلوئنت پنجره اصلی برنامه است که وظیفه آن کنترل کردن اجرا و درستی برنامه ها می باشد.هنگامی که از پنجره کنسول نرم افزار استفاده می شود می توان برای ارتباط برقرار کردن با فلوئنت، ارتباط متنی و یا ارتباط گرافیکی را انتخاب کرد. گزینه های موجود در منوها، طبق سلسله مواردی که باید در حل مسئله رعایت شود در برنامه تعبیه شده است. در واقع سلسله مراتب این منوها از چپ به راست و در هر منو از بالا به پایین، مراحلی است که در انجام یک پروژه باید گام به گام هر کدام از آنها در صورت نیاز به کار گرفته شوند. در ابتدا باید اطلاعات مورد نیاز را به کمک دستور “خواندن” خواند و سپس  شبکه را چک کرد. چک کردن شبکه یک قابلیت بسیار پیشرفته از نرم افزار فلوئنت است که به کاربر اطلاعات کاملی را از تعداد سلولها، اینکه آیا شکلها دارای جای بدون شبکه است یا خیر و تمام پارامترهای لازم را به صورت چاپی در اختیار کاربر قرار می دهد. برای این کار از منوی گرید و سپس گزینه چک استفاده می شود.

4-1- مروری بر تعریف شرایط مرزی………………………………………………………. 34

شرایط مرزی، تعیین کننده جریان و خاصیتهای حرارتی در مرزها، با توجه به فیزیک مسئله می باشد. شرایط مرزی اجزا بسیار مهم و تعیین کننده ای در نرم افزار شبیه ساز فلوئنت است.

شرایط مرزی در نرم افزار فلوئنت به صورت زیر دسته بندی می شود:

1- جریان خروجی و ورودی به مرز: فشار ورودی، فشار خروجی، سرعت ورودی، سرعت خروجی، جریان جرم ورودی، جریان جرم خروجی، ورودی آزاد (تهویه)، خروجی آزاد (تهویه)، فن یا هواکش، میدان بسیار دور فشار و خروجی فن.

2- دیوار و مرزهای جفت و تکرار شونده: دیوار، مرز متقارن، تکرار شونده و محوری.

3- نواحی و سلولهای داخلی: سیال، جامد ( متخلخل نیز نوعی از ناحیه سیال می باشد).

4- مرزهای صفحه های داخلی: فن، رادیاتور، مرز متخلخل، دیوار ، ناحیه داخلی (داخل).
4-1-1- به کارگیری منوی شرایط مرزی………………………………………………….. 35
4-1-2- تغییر نوع مرز………………………………………………………………………. 35

قبل از تعیین کردن مقادیر و پارامترهای هر شرط مرزی، ابتدا باید نوع نواحی را چک نمود و اگر نیاز بود تغییرات لازم را انجام داد. برای مثال اگر شبکه شامل شرط ورودی بود، اما هدف شرط دیگری مثلاً سرعت ورودی باشد، در این صورت، لازم است که این ناحیه را به سرعت ورودی تغییر داد:

مراحل برای تغییر نوع شرایط مرزی به ترتیب زیر است:

1- در منوی شرایط مرزی، ناحیه ای که هدف تعویض آن است، انتخاب می گردد.

2- نوع صحیح ناحیه در لیست روبه روی آن انتخاب می گردد.

3- تأیید کردن تغییر، با دادن جواب مثبت به پرسش ارایه شده مبنی بر اینکه آیا مایل به تغییر هستید یا خیر؟
4-1-3- تقسیم بندی انواع نواحی……………………………………………………….. 36
4-1-4- تنظیم کردن شرایط مرزی………………………………………………………… 36
4-1-5- تغییر دادن نام مرزها……………………………………………………………… 37
4-2- جریان ورودی و خروجی……………………………………………………………… 38
4-2-1- شرایط مرزی جریان ………………………………………………………………..38
4-3- شرایط مرزی ورودی سرعت……………………………………………………….. 40
4-3-1- ورودیهای لازم در مرزهای ورودی سرعت………………………………………. 40
4-4- شرط مرزی خروجی فشار………………………………………………………….. 41
4-4-1- ورودیهای لازم برای شرط مرزی خروجی فشار……………………………….. 41
4-5- شرط مرزی دیوار…………………………………………………………………….. 42
4-5-1- ورودیهای لازم در مرزهای دیوار…………………………………………………. 42
4-5-2- تنظیم خواص فیزیکی……………………………………………………………. 42
4-5-3- انواع مواد………………………………………………………………………….. 43
4-5-4- اصلاح خواص یک ماده موجود…………………………………………………… 44
4-5-5- تغییر نام مواد موجود……………………………………………………………… 45
4-5-6- چگالی……………………………………………………………………………… 45
4-5-7- لزجت……………………………………………………………………………….. 46
4-6- انجام محاسبات………………………………………………………………………. 47

مقایسه سرعت محوری در دو حالت با ویسکوزیته تابع دما و ویسکوزیته ثابت

مقایسه سرعت محوری در دو حالت با ویسکوزیته تابع دما و ویسکوزیته ثابت

5- میدان های سرعت و دما………………………….. 50

5-1- میدان سرعت در جریان آرام توسعه یافته درون لوله با ویسکوزیته ثابت……….. 50
5-2- میدان دما در در جریان آرام توسعه یافته درون لوله با شار حرارتی یکنواخت…….50
5-3- میدان دما در جریان آرام درون لوله با دمای یکنواخت……………………………… 51
5-4- حل عددی……………………………………………………………………………… 52
5-4-1- حالت ویسکوزیته ثابت…………………………………………………………….. 52
5-4-2- حالت ویسکوزیته گاز تابع دما………………………………………………………56

نگاهی به روش حل پیوسته

نگاهی به روش حل پیوسته

6- تغییر سرعت صوت در کانال………………………. 63

6-1- تغییر سرعت پیشروی صوت در اثر میدان سرعت جریان…………………………. 63
6-2- تغییر سرعت پیشروی صوت در اثر میدان دما ………………………………………64
6-3- حل تحلیلی تأثیر میدان گرادیان شعاعی دما بر عملکرد دبی سنج التراسونیک 65

دبی سنجی التراسونیک بر اساس تفاوت زمان عبور کار می کنند.در بسیاری کاربردهای عملی یعنی در کاربردهای گرمایش گسسته، اختلاف دمای شعاعی در جریان سیال وجود دارد زیرا دمای سیال اغلب متفاوت از دمای محیط است. یک نکته مهم در این زمینه دقت دبی‌سنج التراسونیک در این گرادیان‌های دما است.

کارهای قابل توجه زیادی به رفتار یک بعدی میدان صوتی در کانال با گرادیان دمای محوری اختصاص یافته است. این بررسی‌ها با توجه به نیاز به فهم رفتار حرکت موج صوتی در اثر گرادیان‌های دمایی در یک کانال از اهمیت بالایی برخوردار است. این درک سبب بهبود توانایی‌های موجود برای کنترل آشفتگی‌های احتراق در پیش‌جرقه و سیستم‌های قدرت می‌شود.

برخلاف تأثیر به خوبی آزموده شده اثر گرادیان‌های دمای محوری، داده‌های کمی از تأثیر گرادیان‌های دمای شعاعی شناخته شده است. هنگامی بررسی عملکرد دبی سنج با حضور گرادیان شعاعی دما داده‌های بسیار کمی چاپ شده است. در کار حاضر به بررسی پیشروی صوت در محیط جریان محدود به دیوارهای استوانه ای و با حضور گرادیان شعاعی دما پرداخته شده است. نشان داده شده است که گرادیان های دمای شعاعی بسیار قوی می تواند در محیط جریان با توجه به حضور گرادیان کوچک دمای محوری وجود داشته باشد. در شکل 27 نمودار تغییرات دمایی شعاعی و محوری در فاصله طولی به اندازه شعاع لوله رسم شده است. همان گونه که دیده می شود به ازای تغییرات قابل توجه دما در راستای شعاعی تغییرات دمایی بسیار ناچیزی در راستای محوری روی داده است.
6-3-1- تئوری………………………………………………………………………………… 66
7- جمع بندی………………………………………………………………………………… 77
7-1- بررسی تاثیر شرایط هندسی فلومیتر و عدد رینولدز بر نمودار خطای حاصله….. 78
7-2- پیشنهادات…………………………………………………………………………….. 84
8- مراجع……………………………………………………………………………………… 85

نمودار باقیمانده های حل نرم افزار و همگرایی مسأله

نمودار باقیمانده های حل نرم افزار و همگرایی مسأله

پیوست…………………………………………………. 86

کد UDF نوشته شده برای محاسبه سرعت در فلوئنت ……………………………86
کد یودی اف نوشته شده برای فهماندن تغییرات ویسکوزیته بر حسب دما در فلوئنت 87
کد نوشته شده در متلب برای محاسبه دما در لوله با شرط مرزی دمای ثابت……….. 89
کد نوشته شده در متلب، برای بدست آوردن جبهه ی موج و مسیر حرکت یک نقطه روی جبهه ی موج: 92
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……………………………………………………. 93
برنامه زمان بندی اجرای رساله……………………………………………………………….. 95
مراحل اجرای رساله به تفکیک …………………………………………………………………97

Abstract

The flow measurements are made by penetrating the pipe with ultrasound. Time differences, frequency variations or phase shifts of the ultrasonic signals caused by the flowing liquid are

subsequently evaluated. The measurement of flow is based on the principle that sound waves traveling in the direction of flow of the fluid require less time than when traveling in the opposite direction. The difference in transit times of the ultrasonic signals is an indication for the flow

rate of the fluid. Since ultrasonic signals can also penetrate solid materials, the transducers can be mounted onto the outside of the pipe. Fast digital signal processors and sophisticated signal analysis guarantee reliable measuring results even under difficult conditions where previously ultrasonic flowmeters had failed.A quantitative treatment of influence of radial temperature gradients on flow meter performance is investigated for case of pure methane in laminar flow profile. The goal of this research is driving an equation to compensate flow meter error. This job has been done by use of analytical temperature and velocity equations in laminar flow regime and finally it led to General error formula for methane case.



  مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان