Ansys Fluent

در مقابل ، حل کننده مسلط ANSYS از حجم محدود سلول محور استفاده می کند.

اصطلاحات مرتبط:

• دینامیک سیالات محاسباتی
• تلاطم
• نمای دو پوستی
• ماده تغییر فاز
• رفتار حرارتی
• دما
• میزان جریان هوا

زنگوله اطلاعات

درباره این صفحه

بیست و چهارم سمپوزیوم اروپایی در مهندسی فرآیند به کمک رایانه

Botond Szilágyi ،. Béla G. Lakatos ، در مهندسی شیمی به کمک رایانه ، 2014

3 جزئیات عددی و تنظیمات شبیه سازی

شبیه سازی عددی با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent CFD ، با یک حل کننده حالت پایدار موازی با دقت سه بعدی انجام شد. برای صرفه جویی در زمان محاسباتی ، یک هواپیمای تقارن تعریف شده است که راکتور را در جهت طولی کاهش می دهد و طول مجراهای تغذیه کننده Y- مخلوط کننده به حداقل رسید. برای این ، سرعت ورودی به عنوان مقدار ثابت داده نمی شود بلکه مشخصات جریان کاملاً توسعه یافته استاز سرعت ، k و ε ، مربوط به نرخ جریان داده شده در ابتدا محاسبه و در شبیه سازی بارگذاری شد. معیار همگرایی به 0. 001 تنظیم شد و برای دستیابی به همگرایی ، فاکتورهای زیر آرامش بخش از حجم ، لحظات و گونه ها به 0. 05 تنظیم شدند. طرح گسسته سازی برای اتصال سرعت فشار ، ساده برای فشار ، حداقل سلول مربع مبتنی بر شیب ، سریع برای کسر حجم ، مرتبه اول ضمنی برای فرمولاسیون گذرا و مرتبه دوم برای سایر مقادیر دیگر ، ساده است. مش با کیفیت بالا در نرم افزار ICEM CFD ساخته شده است و از فاصله متراکم تری در منطقه میکرو مخلوط کن و در نزدیکی دیوارها استفاده می شود. مش بر اساس شاخص همگرایی شبکه تأیید شد. به منظور اطمینان از استقلال کاملاً شبکه ، مش برای بالاترین غلظت ، دما و برای دو برابر بالاترین میزان جریان مورد استفاده در شبیه سازی ها تأیید شد.

بیشتر بخوانید در پایین حرکت کنید URL: https://www. sciencedirect. com/science/article/pii/b9780444634566500326

موانع و چالش ها در توسعه و اجرای نانوفلوئیدهای ترکیبی

7. 4. 1. 1 مقایسه قدرت پمپاژ برای چندین نانوفلوئیدهای ترکیبی مبتنی بر آب: یک رویکرد عددی

در این بخش ، یک رویکرد عددی در برآورد نانوفلوئیدهای ترکیبی قدرت پمپاژ در سیستم حالت پایدار با استفاده از کد CFD ANSYS Fluent در نظر گرفته شده است.

برای این منظور ، تنظیم شماتیک در شکل 7. 5 نشان داده شده است و توسط این نویسنده برای مطالعات عددی قبلی استفاده شده است. در واقع ، در شکل 7. 5 یک هندسه ساده است که توسط Sundar و همکاران استفاده می شود.[59]جزئیات بیشتر در مورد این را می توان در Sundar و همکاران یافت.[59]

روش تک فاز برای شبیه سازی عملکرد نانوفلوئیدهای ترکیبی در یک برنامه همرفت معمولی در نظر گرفته شد. این روش فرض می کند نتایج بسیار خوبی را ارائه دهد ، زیرا تمام خصوصیات ترموفیزیکی قبلاً به صورت تجربی تعیین شده بودند. مدل تک فاز در واقع در حال دستیابی به مایع تقویت شده نانوذرات به عنوان یک مایع سازگار است ، با خاصیت پیشرفته به دلیل بروز نانوذرات جامد [43].

معادلات حاکم [43] است:

(7. 3) D I V (ρ V ¯) = 0 . .

در معادلات(7. 3-7. 5) ، V ¯ ، P ¯ و t ¯ متغیرهای جریان متوسط را نشان می دهند در حالی که U ′ and و T ′ به ترتیب تغییرات در سرعت و دما هستند. از طرف دیگر ، اصطلاحات (ρ u ′ ¯ u ′ ¯) و (ρ c p u ′ ¯ t ′) استرس برشی آشفته و شار گرمای آشفته ، در نتیجه.

مدل κ-ε درگیر این مطالعه عددی دارای دو معادله جدید است ، یکی برای انرژی جنبشی آشفته و دیگری برای میزان اتلاف ، همانطور که در مستندات مسلط ANSYS توضیح داده شده است. دو معادله و مقادیر مربوطه در [43] به تفصیل شرح داده شد. برای مدل سازی تلاطم ، شدت تلاطم ثابت ، برابر با 1 ٪ اجرا شد. جزئیات بیشتر در مورد مدل تنظیم عددی را می توان در MINEA یافت [43].

شرایط مرزی . میدان عددی یک لوله سه بعدی با طول L = 1. 75 متر و قطر داخلی D = 0. 014 متر است (شکل 7. 5 و Sundar و همکاران را ببینید. [59]). دیواره لوله با شار گرمای یکنواخت q = 12،998. 83 W/m 2 گرم می شود و در ورودی لوله سرعت ثابت تحمیل می شود. در خروجی لوله ، شیب دما و سرعت صفر در نظر گرفته شد. علاوه بر این ، دمای ثابت 300 K در ورودی سیال در نظر گرفته شد و تعداد رینولدز بین 7800 تا 22000 در نظر گرفته شد.

سه اندازه مش مختلف در رابطه با حساسیت به شبکه و تأثیر آن بر نتایج عددی مورد آزمایش قرار گرفت و شبکه غیر یکنواخت 400 20 20 از نظر دقت نتایج عددی و همچنین استقلال آنها نسبت به تعداد گره های مورد استفاده بهینه در نظر گرفته شد.[43]

اعتبار سنجی مدل با استفاده از مقایسه داده های عددی فعلی با نمونه های قبلی که هر دو در پایه های آزمایشی توسط Sundar و همکاران بدست آمده بود ، تکمیل شد.[59] و با استفاده از روشهای نظری ، با استفاده از معادله آتت ر-عکسبرداری [64] بیان شده به عنوان:

(7. 6) N U = 5 + 0. 015 RE 0. 856 PR 0. 347

نتایج مقایسه شد و توافق بسیار خوبی با دقت کمتر از 4 ٪ مشاهده شد.

بحث در مورد قدرت پمپاژ. قدرت پمپاژ را می توان با استفاده از معادله زیر ارزیابی کرد [43]:

(7. 7) W = V ˙ Δ P = W π D 2 4 (F L D ρ W 2 2)

که در آن ، V ˙ ، ΔP ، W و F به ترتیب سرعت جریان ، افت فشار ، سرعت سیال و ضریب اصطکاک هستند.

فاکتور اصطکاک ، F ، معادله [56] یافت شد:

(7. 8) f = 2 δ p d ρ w 2 l

در این بخش ، یک معیار جدید ، PEC ، پیش بینی شده توسط حسنپور و همکاران.[65] مورد بحث قرار خواهد گرفت. این معیار هم تقویت در NU و هم از صعود در فاکتور اصطکاک را نشان می دهد:

(7. 9) p e c = (n u h n f n u b f) (f h n f f b f) 1 /3

When PEC>1 ، جریان بهبود یافته و اجرای مایع جدید منجر به بهبود عملکرد کلی می شود. با توجه به حساب پمپاژ قدرت [نگاه کنید به Eq.(7. 7)] ، افت فشار به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفت و ضریب اصطکاک معادل آن در نظر گرفته شد که در ادامه به تصویر کشیده می شود.

نتایج به دست آمده عددی به دست آمده و در شکل 7. 6 به تصویر کشیده شده است که به وضوح می تواند ببیند که نانوفلوئیدهای هیبریدی سیلیس و تایتانیا عملکرد خوبی دارند در مورد افزایش قدرت پمپاژ پس از افزودن نانوذرات در مایع پایه. افزایش قدرت پمپاژ بر روی مایع پایه برای هیبرید سیلیس با نانوذرات آلومینا پایین تر است ، در واقع به دلیل کاهش ویسکوزیته به کاهش قدرت پمپاژ (یعنی کاهش 4 ٪ تشخیص داده شد). می توان در اینجا تأثیر هم افزایی در بین نانوذرات آلومینا و سیلیس را مشاهده کرد ، اثری که قبلاً توسط این نویسنده نیز تأیید شده بود.

اگر یک معاینه مشترک در بین تقویت انتقال حرارت و ضریب اصطکاک را در نظر بگیرد ، PEC [به Eq مراجعه کنید.(7. 9)] را می توان به عنوان یک ابزار بسیار خوب مشاهده کرد و نتایج مربوطه نیز در شکل 7. 6 نشان داده شده است. تجزیه و تحلیل PEC می تواند نتیجه گیری را نشان دهد که همه نانوفلوئیدهای آلومینا ، سیلیس و تایتانیا در واقع در صورت حفظ کسری نانوذرات جزئی ، در واقع گزینه ای ارزشمند هستند.

بیشتر بخوانید در پایین حرکت کنید URL: https://www. scienceirect. com/science/article/pii/b9780128192801000070

بیست و هفتمین سمپوزیوم اروپایی در مهندسی فرآیند به کمک رایانه

Luis Vaquerizo ، María José Cocero ، در مهندسی شیمی با کمک رایانه ، 2017

5. نتیجه گیری ها

جایگزینی شیر انبساط توسط یک desuperheater در فرآیند SCWH ارائه شده است. به منظور محاسبه دقیق خصوصیات فیزیکی در نزدیکی نقطه بحرانی ، ANSYS Fluent ® با Aspen Plus® در ارتباط بود. نتایج به دست آمده از شبیه سازی ثابت می کند که درجه حرارت در 18 میلی ثانیه کمتر از 250 درجه سانتیگراد کاهش می یابد و فشار را در 249 بارا و انتخاب بیش از 90 ٪ حفظ می کند.

با مقایسه هر دو گزینه ، در حالی که فرآیند سنتی امکان به دست آوردن محصولات بسیار متمرکز را که به وزن 46 ٪ وزن می رسند ، می تواند اجرای یک desuperheater باعث افزایش راندمان پرانرژی فرایند شود.

بیشتر بخوانید در پایین حرکت کنید URL: https://www. sciencedirect. com/science/article/pii/b9780444639653504864

روشهای محاسباتی برای تحقیقات پدیده های انتقال حرارت در برنامه های هوافضا

10. 4. 3 کد CFD

امروزه چندین شرکت صنایع و مهندسی و مشاوره در سراسر جهان امروزه از کدهای به اصطلاح CFD با هدف تجاری در دسترس برای شبیه سازی جریان سیال ، انتقال گرما و جرم و احتراق در برنامه های هوافضا استفاده می کنند. از جمله این کدها می توان به ANSYS Fluent ، ANSYS CFX ، CFD ++ و STAR-CCM+اشاره کرد. همچنین بسیاری از دانشگاه ها و مؤسسات تحقیقاتی در سراسر جهان علاوه بر استفاده از کدهای توسعه یافته داخلی خود ، کدهای تجاری را نیز به کار می گیرند. امروزه کدهای منبع باز مانند OpenFoam نیز آزادانه در دسترس هستند. همچنین کدهای تخصصی مانند DPLR (آرامش خط به موازات داده) و Vulcan (الگوریتم چسبناک Upwind برای تجزیه و تحلیل جریان پیچیده) برای جریان هایپرسونیک وجود دارد. DPLR برای جریان های مافوق صوت و hypersonic در شرایط عدم تعادل طراحی شده است ، در حالی که ولکان برای جریان داخلی در موتورهای scramjet طراحی شده است. جزئیات بیشتر و توضیحات مختصر در مورد کدها را می توان در Ref یافت.[23].

با این حال ، برای استفاده موفقیت آمیز چنین کدهایی و تفسیر نتایج محاسبه شده ، لازم است مفاهیم اساسی روشهای محاسباتی را درک کنیم. موضوعات مهم همچنین توصیف هندسه های پیچیده و تولید شبکه های مناسب است. کدهای تجاری معمولاً ابزار تولید شبکه خود را دارند ، به عنوان مثال ، ANSYS ICEM ، اما نرم افزار مستقل مانند Pointwise نیز محبوب هستند. کدها به طور کلی با ابزارهای مختلف CAD سازگار هستند.

بیشتر بخوانید در پایین حرکت کنید URL: https://www. scienceirect. com/science/article/pii/b9780128097601000107

موضوعات پیشرفته انتقال حرارت در جریان مجرای پیچیده

4. 16 کد CFD

امروزه استفاده از کدهای به اصطلاح CFD با هدف عمومی تجاری برای شبیه سازی جریان سیال ، گرما و انتقال انبوه در انواع برنامه ها در صنایع ، مهندسی و شرکت های مشاوره در سراسر جهان متداول است. از جمله این کدها عبارتند از: ANSYS-Fluent ، ANSYS-CFX ، CONVERGE ، STAR CCM +و دیگران. همچنین بسیاری از دانشگاه ها و مؤسسات تحقیقاتی علاوه بر استفاده از کدهای توسعه یافته داخلی ، کدهای تجاری را نیز به کار می گیرند. اخیراً ، کدهای منبع باز مانند Foam Open در دسترس بوده اند.

با این وجود ، برای استفاده موفقیت آمیز از چنین کدها و تفسیر نتایج محاسبه شده ، لازم است مفاهیم اساسی روشهای محاسباتی را درک کنیم. همچنین نسل شبکه های مناسب نیز مهم است. کدهای تجاری معمولاً ابزار تولید شبکه خود را دارند ، به عنوان مثال ، ANSYS-ICEM بلکه نرم افزارهای مستقل مانند Pointwise محبوب هستند. کدها به طور کلی با ابزارهای مختلف CAD سازگار هستند.

بیشتر بخوانید در پایین حرکت کنید URL: https://www. sciencedirect. com/science/article/pii/s0065271717300035

انتشارات توصیه شده

نماد اطلاعات اطلاعات مجله مجله مجله مجله

تبلور دهنده ها: مدل سازی CF D-PBE

6. 3. 4 جزئیات محاسباتی

شبیه سازی های انجام شده در ادبیات ، مانند Wang et al.(2006a ، 2007) ، چنگ و همکاران.(2009) ، و ژانگ و همکاران.(2009) ، یا با استفاده از برخی کدهای تجاری مانند Fluent (Ansys ، Inc.) ، مانند Marchisio و همکاران.(2002) ، Jaworski و Nienow (2003) ، Oncül و همکاران.(2005) ، گاوی و همکاران.(2007) ، گوو و همکاران.(2009) ، چنگ و همکاران.(2012a) و منابع موجود در آن. میدان جریان سه بعدی در مخزن هم زده ابتدا با حل معادلات تک فاز رینولدز به طور متوسط Navier-Stokes بدست می آید. همبستگی بین پروانه چرخان و حفره های ثابت با قاب چند مرجع (MRF) درمان می شود. اتصال سرعت و فشار با استفاده از ساده یا ساده حل می شود. یک بررسی استقلال شبکه را می توان با مقایسه زمینه های جریان از تعداد مختلف شبکه یا با استفاده از سازگاری مرز و شیب انجام داد. پس از رسیدن به همگرایی با باقیمانده معادلات جریان بسیار زیر 10 - 4 ، زمینه های سرعت و تلاطم ذخیره می شوند و برای شبیه سازی های بعدی بارش بدون تغییر نگهداری می شوند. شکل 6. 4 میدان جریان و توزیع نرخ اتلاف انرژی آشفته را نشان می دهد (چنگ و همکاران ، 2009).

بر اساس میدان جریان در حال حاضر شناخته شده ، معادله حمل و نقل گونه (6. 30) و معادلات PBE حل می شود. برای SMM ، Eq.(6. 23) استفاده می شود و به طور کلی معادلات پنج لحظه برای به دست آوردن لحظات Zeroth- تا مرتبه چهارم CSD حل می شود. برای QMOM ، Eq.(6. 25) استفاده می شود و تعداد معادلات لحظه ای که حل می شوند به گره های مورد استفاده بستگی دارد ، به طور کلی دو گره (n_d= 2) یا سه گره (n_d= 3). با استفاده از QMOM با n_dگره ها ، 2 N اول_dلحظه ها ردیابی می شوند. به عنوان مثال ، اگر n_d= 3 ، شش لحظه اول ، از متر₀به م₅، محاسبه می شوندبرای MCM ، Eq.(6. 27) استفاده می شود. تعداد معادلات گسسته شده به تعداد سطل های اندازه بستگی دارد ، به عنوان مثال ، اگر 36 سطل اندازه تصویب شود ، باید 40 معادله به طور همزمان حل شوند (معادلات سطل 36 اندازه به علاوه چهار معادله حمل و نقل گونه). به دلیل سفتی هسته ، از عوامل آرامش کمتری برای معادلات گونه های Ba 2+ و Cl - و معادله سطل اندازه اول استفاده می شود. هنگام استفاده از FLUENT ، معادلات حمل و نقل PBE و گونه ها از طریق مقیاس های تعریف شده توسط کاربر (UDSS) و توابع تعریف شده توسط کاربر (UDF) در مسلط قرار می گیرند. معیار همگرایی این است که باقیمانده تمام معادلات PBE و حمل و نقل گونه ها زیر 10 - 6 است. فرآیندهای تجمع و شکستگی را می توان با QMOM و MCM در نظر گرفت. MCM در مقایسه با SMM و QMOM بیشتر وقت گیر است ، به ویژه هنگامی که اصطلاحات ثانویه مانند تجمع و شکستگی در نظر گرفته می شود ، زیرا بیان گسسته شده اصطلاح تجمع در Eq.(6. 27) در MCM با یک حلقه سه گانه از تجمع درگیر است (نگاه کنید به چنگ و همکاران ، 2012a).

بیشتر بخوانید در پایین حرکت کنید URL: https://www. sciencedirect. com/science/article/pii/b9780080999197000068

بیست و یکمین سمپوزیوم اروپایی در زمینه مهندسی فرآیند به کمک رایانه

Stanislav Jašo ،. گونتر وزنی ، در مهندسی شیمی به کمک رایانه ، 2011

2 شبیه سازی

شبیه سازی بستر سیال و راکتور غشای بستر سیال با استفاده از تئوری جنبشی جریان دانه ای که توسط گروه پروفسور گیداسپو ایجاد شده است ، انجام شده است. این مدل نشان داده شده است که به طور منطقی رفتار بسترهای سیال شده ذرات Geldart AB ، B و C را پیش بینی می کند. ابزار تجاری CFD ANSYS Fluent 12® به عنوان ابزاری برای چنین شبیه سازی استفاده شده است. قبل از شبیه سازی ، به منظور برطرف کردن هندسه های پیچیده ، نیاز به طراحی مش در اندازه قابل توجهی بود. در بیشتر موارد ، از سلولهای هگزهدرال برای تولید مش استفاده شده است. با این حال ، در موردی که مشبک هگزاهله غیرممکن بود (در مورد غشاهای افقی) ، از مش چند قطبی استفاده شد. در کلیه موارد مورد بررسی ، از اندازه مش 200 000 500 000 برای شبیه سازی استفاده شد. هر شبیه سازی بر روی یک خوشه محاسبات 32 هسته انجام شد. شبیه سازی تقریباً 3 ثانیه از زمان واقعی به 510 روز محاسبه نیاز دارد. بر اساس جریانهای کاربردی و هندسه ، یک حالت شبه پایدار در حال حاضر پس از تقریباً 0. 5 ثانیه از زمان واقعی مشاهده شد (شکل 1).

The kinetic model used for the simulation is a formal kinetic model suggested by ( Stansch, 1997 ). This kinetic model consists of 10 reaction steps, out of which 3 are primary, and 7 are consecutive. This model includes gas phase ethane dehydrogenation as well as ethylene steam reforming and water gas shift reaction, which makes it the most comprehensive model available in literature. The use of mikrokinetic models for OCM in CFD is limited considering their complexity and number of species included in the model (>50) ، که زمان محاسباتی را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.

بیشتر بخوانید در پایین حرکت کنید URL: https://www. scienceirect. com/science/article/pii/b9780444537119500766

استفاده از یک روش هوایی محاسباتی ترکیبی در یک دمنده خودرو

3. 2. 1 شبیه سازی CFD

تنظیم شبیه سازی CFD نماینده مجموعه آزمایشی است ، به این طرح در شکل 2 مراجعه کنید. فن ، پیمایش و مجرای کاملاً مدل شده است. یک کره نیمی در ورودی فن اضافه می شود تا یک ورودی میدان آزاد را شبیه سازی کند. موتور در هندسه در نظر گرفته نمی شود ، زیرا از گنبد نزدیک استفاده می شود. سرانجام جعبه Mylar با باز شدن واقعی شکل الماس کاملاً نمایش داده شده است. در واقع اندازه خروجی نقطه عملیاتی شبیه سازی را مانند آزمایش هدایت می کند. مش چهار ضلعی بر روی این هندسه ساخته شده است که از مجموع 4 میلیون سلول تشکیل شده است. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است ، اندازه مش در جعبه Mylar (حدود 20 میلی متر) بسیار بزرگ است ، اما فن ، پیمایش و مجرای با سلولهای با اندازه 1. 5 میلی متر ، 3 میلی متر و 7 میلی متر کاملاً تصفیه شده است. یک جعبه نیز در منطقه جت ایجاد شده است تا اندازه سلول ثابت 7 میلی متر را حفظ کند ، به شکل 2 مراجعه کنید. از لایه های مرزی استفاده نمی شود.

ANSYS Fluent 12. 1 برای شبیه سازی CFD استفاده می شود. شرایط فشار جوی در هر دو شرایط مرزی ورودی و خروجی برای شبیه سازی شرایط میدان آزاد تنظیم شده است. اولین حالت K-Epsilon Reynolds به طور متوسط Navier-Stokes (RANS) شبیه سازی با استفاده از یک مدل فریم مرجع متحرک برای به حساب کردن چرخش فن در 3000 دور در دقیقه انجام می شود. سپس یک شبیه سازی ادی جدا شده (DES) ، که شبیه سازی بزرگ ادبی را با یک مدل RANS Spalart-Allmaras مخلوط می کند ، برای اجرای گذرا انتخاب می شود. در اینجا چرخش فن با استفاده از یک مدل مش کشویی انجام می شود و به دیوارهای فن اجازه می دهد تا از نظر جسمی بچرخند. از تفاوت مرکزی برای گسسته سازی مکانی معادلات ویسکوزیته آشفته استفاده می شود و از یک طرح مرتبه دوم برای فشار استفاده می شود. فرمولاسیون گذرا مرتبه دوم با یک مرحله زمانی از 5 × 10 - 5 ثانیه انتخاب شده است. این شبیه سازی ابتدا تا تثبیت جریان (14 چرخه) اجرا می شود ، و سپس مقادیر آیرودینامیکی گذرا در طی 4. 25 چرخه فن ثبت می شود.

تصاویر فوری از میدان جریان در شکل 3 ارائه شده است. کانتورهای گرداب از ویژگی های اصلی جریان برخوردار هستند: یک میدان جریان پیچیده در داخل پیمایش در اطراف فن ، و یک جت که از مجرای داخل جعبه Mylar سرچشمه می گیرد. ساختارهای آشفتگی سازمان یافته در لایه های مرزی ایجاد می شوند. کانتورهای سرعت سرعت در یک هواپیما X که فن را برش می دهد و به ویژه رفتار پیچیده جریان در این منطقه را نشان می دهد. این پیچیدگی انتخاب مدل آئواکوستیک را توجیه می کند ، جایی که تمام جزئیات جریان که در منطقه چرخان رخ می دهد دور ریخته می شود ، زیرا فقط ویژگی های جریان در سطح متخلخل برای آن به حساب می آید. همچنین کاملاً واضح است که گسسته شدن جریان در منطقه جت خیلی خوب نیست. این انتخاب برای کاهش زمان شبیه سازی و اندازه پایگاه داده انجام شد.

بیشتر بخوانید در پایین حرکت کنید URL: https://www. scienceirect. com/science/article/pii/b9780857091727500397

بیست و یکمین سمپوزیوم اروپایی در زمینه مهندسی فرآیند به کمک رایانه

نیکولاوس چیماریوس ،. آندریاس جی. بوودوویس ، در مهندسی شیمی به کمک رایانه ، 2011

3 RSM ، FSM و روش اتصال

در رابطه با RSM، معادلات حفاظت، یعنی معادلات حرکت، تداوم، انرژی و گونه، با شرایط مرزی مناسب [8]، به صورت عددی در حالت ثابت برای سرعت، فشار، دما و کسر جرم گونه حل می شوند. محاسبات با نرم افزار تجاری Ansys/Fluent [11] انجام می شود که روش حجم محدود [8، 12] را در خود جای داده است.

در مقیاس خرد، FSM [13] یک چارچوب یکپارچه است که در C/C++ توسعه یافته است. این شامل یک مدل بالستیک [14]، مناسب برای درمان حمل و نقل گونه ها در شرایط با تعداد Kn بالا، برای محاسبه شار محلی هر واکنش دهنده در داخل ترانشه ها، یک مدل شیمی سطح برای محاسبه نرخ رسوب، و یک پروفایل است. الگوریتم تکامل بر اساس روش تنظیم سطح [13] برای "رشد" فیلم در داخل ترانشه.

نمایش شماتیک روش کوپلینگ در شکل 1 نشان داده شده است. جفت شدن RSM با FSM توسط ضریب واکنش موثر [15]، ε، پارامتری که برای اصلاح شرایط مرزی معادله گونه معرفی شده است، انجام می شود. سرعت واکنش سطح k در مقیاس ماکرو با İ ضرب می شود_kو شرایط مرزی برای گونه ای که در واکنش (های) سطحی شرکت می کند نشان می دهد

(1) ρ D i n ⋅ ▿ ω i = M i ∑ k = 1 m γ i , k ε k γ m a c r o , k s

که ρ چگالی (kg/m 3)، ω است_iکسر جرمی، M_iوزن مولکولی (kg/kmol)، γ_i,kضریب استوکیومتری گونه i در واکنش سطح k، D_iضریب انتشار (m 2 / s)، m تعداد واکنش هایی که گونه i در آنها شرکت می کند، r m a c r o، ks سرعت k_هفتمواکنش سطح توسط فلوئنت و n بردار نرمال واحد به سطح ویفر محاسبه می شود. در طول شبیه سازی، ε_kدر مواجهه با هر سلول مرزی j مجاور سطح ویفر برای RSM تصحیح می شود تا مصرف افزایش یافته گونه i را به دلیل وجود میکروتوپوگرافی روی ویفر در نظر بگیرد. ε_k,jفاکتور واکنش پذیری موثر بر روی سلول j است. اصلاح از طریق طرح تکرار نقطه ثابت انجام می شود

(2) ε k , j ( n + 1 ) = ε k , j ( n ) r m i c r o , k , j s ( ε k , j ( n ) ) r m a c r o , k , j s ( ε k , j ( n ) )

جایی که_{(n+1) و (ن)}با دو تکرار متوالی مطابقت دارد. اصطلاح r m i c r o , k , j s نرخ واکنش سطحی محاسبه شده توسط FSM در خوشه ای از ترانشه ها است که با سلول مرزی j مطابقت دارد. محاسبات چند مقیاسی با ε شروع می شود_k= 1. دومی با مورد بدون میکرو توپوگرافی مطابقت دارد. روش تکراری تا همگرایی در همه ε ادامه دارد_k,jبشرپس از همگرایی ، سرعت رسوب محلی (رشد) به روش مجموعه سطح تغذیه می شود و رسوب برای Δ t رخ می دهد. جزئیات مربوط به روش RSM ، FSM و روش اتصال را می توان در [8] یافت.

محاسبات موجود در مقیاس میکرو می تواند به طور مستقل برای هر سلول مرزی انجام شود [شکل 1B]. برای بهره برداری از این ویژگی FSM ، یک تکنیک موازی همزمان کارشناسی ارشد [10] با استفاده از رابط عبور پیام (MPI) اجرا می شود. سرعت حاصل از آن تقریباً متناسب با تعداد پردازنده ها است [10].

بیشتر بخوانید در پایین حرکت کنید URL: https://www. sciencedirect. com/science/article/pii/b9780444537119500274

مدل سازی چند سطحی از الکترولیز اکسید جامد

Jakub Kupecki ،. Domenico Ferrero ، در دستگاه های الکتروشیمیایی مبتنی بر اکسید جامد ، 2020

5. 4. 3 مدل های سه بعدی

پیچیده ترین روش مورد استفاده برای شبیه سازی عملکرد SOC ، مدل های کامل سه بعدی هستند. مدل های سه بعدی پس از تعیین قبلی روش محاسباتی مناسب و شرایط مرزی ، پارامترهای متغیر را در سلول با در نظر گرفتن توزیع گاز و دما و همچنین واکنشهای الکتروشیمیایی شبیه سازی می کنند. علاوه بر این ، از این روش می توان برای طراحی عناصر جداگانه ماژول SOC ، برای تعیین همبستگی بین آنها و بهینه سازی عملکرد آنها استفاده کرد. امکان استفاده از مدلهای سه بعدی عملاً بی حد و حصر است ، اما از نظر شکل هزینه ها و زمان لازم برای انجام محاسبات منجر به مشکلات می شود. بسته به پیچیدگی موضوعات مورد تجزیه و تحلیل ، تولید نتایج مورد فردی ممکن است بین چند ساعت تا چند روز طول بکشد. به همین دلیل از رویکرد سه بعدی برای بررسی دقیق مشکلات کلیدی استفاده می شود ، و نتایج حاصل از آن بیشتر به عنوان داده های ورودی برای مدل های ساده استفاده می شود.

روش عنصر محدود متداول ترین راه حل برای ساده سازی محاسبات در این نوع رویکرد است [50،51]. هاوکس و همکاران.[52] یک مدل سه بعدی از یک پشته SOEC درجه حرارت بالا متشکل از 60 سلول مسطح تهیه کرد. مشخصات فنی و داده های عملکرد پشته مورد استفاده در شبیه سازی ها بر اساس داده های پشته فیزیکی تحویل داده شده از Ceramatec ، Inc. بود و در آزمایشگاه ملی آیداهو مورد آزمایش قرار گرفت. ابزار عددی در میز کار ANSYS Fluent ایجاد شد. محاسبات الکتروشیمیایی در توابع تعریف شده توسط کاربر به عنوان کدهای محاسباتی خود قرار گرفت. تغییرات در چگالی جریان ، دما و ترکیبات گاز در امتداد پشته ، برای ولتاژهای مختلف سلول نشان داده شد. Duhn et al.[53] یک روش جدید برای شبیه سازی توزیع گاز در پشته های SOC ارائه داد. مدل طراحی شده با دقت بسیار بالایی از ابعاد کانال گاز و مکان از پشته فیزیکی بازتولید می شود. برای فرآیندهای بهینه سازی عددی پارامترهای کانال ، روش مونت کارلو انتخاب شد ، که معمولاً برای مشکلات ریاضی پیشرفته (انتگرال ها ، زنجیره های فرآیند آماری) استفاده می شود ، به طوری که می توان نتایج آنها را با استفاده از یک رویکرد تحلیلی پیش بینی کرد.

در سال 2013 Grondin و همکاران.[54] یک مدل سه بعدی از یک واحد تکراری تک SOE (SRU) ایجاد کرد ، که در آن سرعت جریان گاز ، غلظت گونه ها ، چگالی جریان و توزیع دما از طریق SRU محاسبه شد. در این کار از یک شبکه عصبی مصنوعی (ANN) برای پیش بینی عملکرد واحد SOE استفاده شد و عمدتاً روی الکترود کاتد متخلخل تمرکز داشت. داده ها برای آموزش و اعتبار سنجی شبیه ساز ANN از مدل الکتروشیمیایی قبلاً معتبر استخراج شد. ناواسا و همکاران.[55] یک مدل دینامیک سیال محاسباتی SOEC (CFD) با پشتیبانی کاتد سه بعدی را طراحی کرد ، که در آن تأثیر ولتاژهای مختلف سلولی بر عملکرد کلی ماژول مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. تنظیمات هر دو کانال گاز متقابل و ضد جریان در طی تحقیقات عددی مورد توجه قرار گرفت. شبیه سازی های انجام شده منجر به یک سری از پروفایل های توزیع دما و گاز در سلول ، بسته به ولتاژ فعلی برای حالت های درون گرمی ، ترمونوترال و گرمازدایی در حین کار الکترولیز. علاوه بر این ، بسته به پارامترهای عملیاتی و پیکربندی واحد ، میزان هیدروژن تولید شده نیز تعیین شد. در سال 2018 ناواسا و همکاران.[56] یک مدل چندگانه سه بعدی جدید از SOC را پیشنهاد کرد ، که دقیقاً توزیع فشار جزئی محلی در سلول را تعیین می کند. این روش تحت یک فرآیند اعتبار سنجی دقیق و بر اساس آزمایش های داخلی انجام شده در شرایط مختلف عملیاتی قرار گرفت. هدف اصلی در این کار ، تجزیه و تحلیل و تعیین روش های کاهش تخریب سلول SOC بود ، بنابراین طول عمر خود را گسترش می دهد.

به طور خلاصه ، هر روش پیشنهادی دارای چندین مزیت و معایب است. بسته به جنبه های ارجح فعالیت های عددی ، یعنی زمان و هزینه شبیه سازی ، تعداد و نوع نتایج حاصل از دقت قابل قبول ، مدل باید با در نظر گرفتن محدودیت های کلی آن انتخاب شود.