معرفی نرم افزارهای مهندسی شیمی بخش چهارم

معرفی نرم افزارهای مهندسی شیمی

آشنایی با برخی نرم افزارهای کاربردی مهندسی شیمی

– بخش چهارم

در نهایت به آخرین قسمت از این آموزش رسیدیم، این قسمت به طور کامل مختص است به نرم افزارهای حیطه مکانیک سیالات، که بحثی است مشترک بین دانشجویان رشته های مهندسی شیمی و مهندسی مکانیک، به دلیل اهمیت این موضوع به ناچار مجبور به بحث کامل در این زمینه شدیم و به همین خاطر بخش انتهایی این مقاله کمی طولانی تر از سایر بخش ها شده است.

پس بیش از این سخن به درازا نکشیم و یک راست وارد بحث شویم…

ديناميك سيالات محاسباتي (CFD)

دنیای پیرامون، متشکل است از پدیده های فیزیکی بسیاری که بخش قابل توجهی از این پدیده ها، در حیطه مکانیك شاره ها قرار میگیرد.

جریان های اقیانوسی، توده های هوایی، جریان خون در رگ ها، مجراهای تنفسی، جریان سیال اطراف خودرو، جریان باد در اطراف ساختمان و بسیاری دیگر از پدیده ها، نمونه هایی از این فیزیك ها هستند.

طراحی صحیح و هوشمندانه بسیاری از تجهیزات مهندسی، نیازمند درك صحیحی از این پدیده هاست. بدین منظور از دانش مکانیك سیالات، برپایه قوانین حرکتی ارائه شده توسط نیوتن استفاده میشود. این قوانین به صورت کلی در قالب چهار معادله اصلی برای بقای مومنتوم و جرم ارائه میگردد.

این معادلات که با نام معادلات ناویر استوکس نیز معرفی می شوند، با وجود دقت کافی برای غالب پدیده های مکانیك سیالات، در بسیاری از موارد، به دلیل پیچیدگی های بالای حل، به صورت مستقیم قابل ارزیابی نیستند و به دلیل حضور ترم های غیرخطی و همچنین همبستگی چهار معادله به یکدیگر، به عنوان یکی از پیچیده ترین معادلات دنیای علم، معرفی می شوند. حل مستقیم و تحلیلی این معادلات، به جز در موارد بسیار محدود و با در نظر گرفتن بسیاری فرضیات ساده سازی، ممکن نیست. جریان بین دو صفحه موازی، جریان آرام درون لوله با سطح مقطع دایره‌ای و جریان رینولدز پایین در اطراف یك گوی، نمونه هایی از فیزیك های سادهای هستند که برای آنها، حل تحلیلی معادلات ناویر استوکس وجود دارد.

در کنار این ها، پدیده های بسیاری در دنیای مهندسی وجود دارد، که دارای پیچیدگی های بسیاری بوده و به دلایل مختلفی، نیازمند درکی از رفتار معادلات جریان، بر روی آنها هستیم. غالب جریان های کاربردی در فیزیك های صنعتی، مانند جریان درون یك راکتور، جریان اطراف هواپیمای مسافربری، جریان درون سیلندر پیستون خودرو و بسیاری دیگر از جریان های صنعتی و طبیعی، نمونه هایی از پدیده هایی هستند، که تحلیل آنها با اهدافی همچون درك بالاتر از محیط پیرامون، بهبود زندگی و طراحی تجهیزات صنعتی صورت می پذیرد.

در این شرایط و با توجه به ضعف روش های ریاضیاتی در حل معادلات ناویر استوکس، نیامند روش های دیگری هستیم. تجربه و آزمایش، یکی از گزینه های جایگزین است. در روش های تجربی، نمونه ها از فیزیك مورد نظر در ابعاد اصلی و یا ابعاد کوچك شده آزمایشگاهی، ساخته و تحلیل جریان بر روی آن، از طریق اندازه گیری پارامترهای اساسی مانند نیرو، ضریب درگ، ضریب انتقال حرارت و مشابه آن، انجام می شود. این روش با وجود دقت نسبتا بالا، به دلیل هزینه های بالای انجام آزمایش از یك سو و عدم امکان انجام آن بر روی تمامی فیزیك های مورد نظر از سوی دیگر، دارای محدودیت های بسیاری است. از این روش، غالبا بر روی طرح های نهایی در آستانه ساخت و به منظور اطمینان از صحت طراحی و تحلیل انجام شده به سایر روش ها، استفاده می شود.

دیدگاه سومی که در بسیاری از پروژه های امروزی، به فراوانی مورد توجه قرار می گیرد، استفاده از روش های عددی است. در روش های عددی، ابتدا دامنه حل به اجزای بسیار کوچکی به نام سلول های محاسباتی، تقسیم می شود. مجموع سلول های محاسباتی، تشکیل یك شبکه محاسباتی می دهند. سلول های محاسباتی بسته به پیچیدگی هندسی و همچنین ساختار کلی حلگر، دارای اشکالی مختلفاند.

روش های حل عددی در حیطه مهندسی مکانیك، به صورت خاص، با نام دینامیك سیالات محاسباتی، شناخته می شوند و غالب نرم افزارهای شبیه سازی مکانیك سیالات، بر این اساس کار می کنند. بسته به روش ها و تکنیك های مورد استفاده، دقت و نرخ همگرایی نتایج و توانایی شبیه سازی فیزیك های مختلف، نرم افزارهای مختلفی به بازار ارائه شده است که هر یك در گستره ای از حوزه های مرتبط با مهندسی مکانیك، هوافضا، هیدرولیك، شیمی، پزشکی و غیره کاربرد دارند. قابل ذکر است در کنار نرم افزارهای معرفی شده در این بخش، نرم افزارهایی خاص، با دیدگاه هایی متفاوت از CFD نیز وجود دارد که گستره کاربرد آنها، در مقایسه با نرم افزارهای CFD ، بسیار محدود است. نرم افزارهایی بر پایه روش های SPH و Lattice Boltzmann از این گروه اند. در ادامه به معرفی مختصری از پرکاربردترین نرم افزارهای حوزه CFD ، می پردازیم.

 

نرم افزار  OPEN-FOAM

این نرم افزار، یکی از معدود نرم افزارهای کد-باز در زمینه CFD است، که به دلیل امکان مشاهده و ویرایش معادلات و روش های دخیل در شبیه سازی و همچنین افزودن معادلات و مدل های جدید، در بسیاری از پروژه های دانشگاهی، مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر این، برخی از صنایع معتبر جهان، با استفاده از حلگرهای پایه این نرم افزار، نرم افزارهایی تخصصی، برای تحلیل و شبیه سازی فیزیك های خاص مورد نظر خود استخراج نموده اند. نرمافزار اختصاصی شبیه سازی انفجار بر روی واحدها و سکوهای نفتی، مورد استفاده توسط شرکتSHELL ، نمونه ای از این کاربردهاست. این نرم افزار، اولین بار در سال 198۰ ، توسط کالج سلطنتی لندن تهیه و منتشر گردید و در حال حاضر نیز توسط بنیادی به همین نام و با مشارکت داوطلبانه گروهی از متخصصان CFD پشتیبانی می شود. به دلیل عدم گردش مالی مشخص و به روزرسانی نرم افزار توسط موسسه و شرکتی انتفاعی، توسعه این نرم افزار در مقایسه با نرمافزارهای تجاری همچون FLUENT و CFX کندتر، و کاربری آن نیز قدری دشوارتر است.

 

نرم افزار  Flow-3D

این نرم افزار یکی از نرم افزارهای پرکاربرد در تحلیل های CFD است که با وجود امکان کاربری در فیزیك های مختلف، از توانایی بالا و کاربرد گسترده تری، در شبیه سازی های هیدرولیك و ریخته گری برخوردار است و به همین دلیل، بسیاری از مهندسان عمران آب و هیدرولیك، از آن بهره می برند. انتشار اولین نسخه این نرم افزار مربوط به سال های 198۰ است. به دلیل استفاده از شبکه های غیر منطبق بر هندسه، استفاده از آن بر روی هندسه های بسیار پیچیده و دارای گوشه ها و زوایای تیز، چندان توصیه نمی شود. کاربری این نرم افزار، در مقایسه با سایر نرمافزارهایCFD ، بسیار ساده است.

 

نرم افزار  COMSOL

این نرم افزار با وجود قدمت نسبتا طولانی، در سال های اخیر، از شهرت بالاتری برخوردار شده است. شهرت بیشتر این نرم افزار، به خاطر امکان شبیه سازی فیزیك های چندگانه است. شبیه سازی جریان هوا، انتقال حرارت و الکترومغناطیس در یك الکتروموتور، نمونه هایی از فیزیك های چندگانه ای است که در این نرم افزار مورد بررسی قرار میگیرد. در سال های اخیر به تعداد کاربران عمومی این نرم افزار، افزوده شده است. مهندسی شیمی، یکی از زمینه های اصلی کاربرد این نرمافزار است. نرمافزارCOMSOL ، اولین بار در سال 1986، توسط دو متخصصCFD ، در استکهلم سوئد بنیانگذاری شد، لیکن اولین نسخه شامل فیزیك های چندگانه آن، در سال 1998 منتشر گردید. دکتر فرهاد سعیدی یکی از بنیانگذاران و مدیرعامل شرکت صاحبامتیاز این نرم افزار است.

 

نرم افزار  NUMECA

این نرم افزار نیز با وجود سابقه قابل توجه، در سال های اخیر از شهرت، اعتبار و گسترش بالاتری برخوردار شده است. مزیت اصلی این نرم افزار، امکان تولید ساده و سریع شبکه محاسباتی و تحلیل نتایج برای انواع تجهیزات توربوماشینری است. به دلیل آسانی شبیه سازی همزمان طبقات یك کمپرسور و توربین، این نرم افزار از سرعت گسترش بالایی در صنایع مختلف برخوردار است.

 

نرم افزار FLUENT

این نرم افزار یکی از قدیمیترین نرم افزارهای عمومی در زمینه دینامیك سیالات محاسباتی است که ارائه اولین نسخه آن، مربوط به به سال 1983 و همزمان با نرم افزار دیگری به نام Phoenix است. این نرم افزار در آغاز، با کاربردهای دانشگاهی و امکانات محدود، بر پایه حلگر سازمان یافته ارائه گردید، لیکن در گذر زمان و ارائه نسخه های جدید، به مدل ها و قابلیت های آن اضافه گردید و از نسخه های 6 به بعد، امکان شبیه سازی بر روی شبکه های بدون سازمان فراهم گردید. در سال 2۰۰6 ، این نرم افزار توسط شرکت ANSYS خریداری گردید و پس از آن با نام تجاری ANSYS-FLUENT و به صورت بخشی از مجموعه نرم افزاری ANSYS منتشر می شود.

نرم افزار فلوئنت بر پایه روش های حجم محدود و مقادیر ذخیره شده در مرکز سلول کار میکند و برای تولید شبکه محاسباتی، نیازمند نرمافزارهای اختصاصی تولید شبکه مانند Gambit و ICEM-CFD است.

مراحل کلی استفاده از این نرم افزار به شرح زیر است:
  1. تولید شبکه: این بخش در یکی از نرم افزارهای تولید شبکه مانند Gambit ، ICEM-CFD ، TGrid ،Turbo-Grid  و یا سایر نرم افزارهای مرتبط، تولید و با فرمت msh به نرم افزار فراخوانی می شود.
  2. تنظیمات و انجام شبیه سازی: این مراحل در نرمافزار FLUENT انجام شده و حاصل آن، مقادیر محاسبه شده متغیرهای سلولی، در قالب فایلی با پسوند dat خواهد بود.
  3. مشاهده نتایج: نتایج ذخیرهشده در فایل dat به صورت مستقیم در نرمافزارFLUENT ، قابل مشاهده خواهد بود. در کنار آن، می توان به منظور تحلیل مناسبتر نتایج و استخراج خروجی های با کیفیت بالا، از نرم افزار اختصاصی تحلیل نتایج ANSYS ، با نام CFD-POST نیز استفاده نمود.

این نرمافزار به صورت مشترك برای نرمافزارهای CFX و FLUENT مورد استفاده قرار میگیرد.

نرم افزار فلوئنت قابلیت شبیه سازی و مدل کردن موارد زیر را دارد:
  • جریان در هندسه های پیچیده دوبعدی و سه بعدی با به کار بردن محاسبات غیرساخت یافته و بهینه سازی و حل شبکه
  • جریان تراکم پذیر و تراکم ناپذیر
  • تحلیل جریان پایا یا گذرا
  • جریان های لزج، آرام و متلاطم
  • سیال های نیوتنی و غیرنیوتنی
  • انتقال حرارت جابجایی شامل جابجایی آزاد یا اجباری
  • ترکیب انتقال حرارت جابجایی/ هدایتی
  • انتقال حرارت تشعشعی
  • مدل فریم های چرخان یا ساکن
  • مش های لغزان و مش های متحرك
  • واکنش ها و ترکیبات شیمیایی، شامل احتراق و مدل های واکنشی
  • محاسبات لاگرانژی برای تغییر فاز از ذرات/قطرات کوچك/حباب ها یا شامل ترکیبی از همه با فاز یکنواخت
  • افزودن ترم های اختیاری حجمی از گرما، جرم، مومنتوم، اغتشاش و ترکیبات شیمیایی
  • جریان در محیط متخلخل
  • مبدل های حرارتی، فن ها، رادیاتورها و بازده آن ها
  • جریان های دوفازی و چندفازی
  • جریان های سطح آزاد با شکل های سطح پیچیده

 

نرم افزار CFX

این نرم افزار نیز یکی از نرم افزارهای نسبتا پرقدمت در تحلیل های CFD است که به دلیل توانمندی بالا و قابلیت کاربری آسان، کاربران بسیاری دارد. انتشار نسخه ابتدایی این نرم افزار مربوط به سال 1996 بوده که بعدها با خریداری نرمافزار TASCflow ، قادر به انجام شبیه سازی بر روی شبکه های بدون سازمان نیز گردید. هدف اولیه آن، انجام شبیه سازی هایی مربوط به فیزیك های هسته ای بوده است. نرمافزار CFX نیز در حال حاضر، متعلق به خانواده ANSYS بوده و بر پایه دیدگاه حجم محدود و میانیابی المان محدود، با مقادیر ذخیره شده در گره های محاسباتی استفاده میکند. استفاده از این نرم افزار، خصوصا در جریان های توربوماشینری و آیرودینامیکی، موجب دستیابی سریع به نتایجی دقیق میگردد. به دلیل استفاده از حلگر کوپل و ذخیره سازی مقادیر در نقاط شبکه، نیازمند حافظه موقت بالاتری نسبت به نرم افزار فلوئنت است. همچنین به دلیل استفاده از روش حل کوپل شبه گذرا در فیزیك های پایا، از همگرایی نسبتا بالاتری در مقایسه با فلوئنت برخوردار است. البته این روش حل از نسخه 14، به نرم افزار فلوئنت نیز اضافه گردید، لیکن به نظر میرسد، توانایی آن در بهبود همگرایی حل، در مقایسه با نرمافزار CFX ، پایینتر است. گسترش مدل های آشفتگی آن در مقایسه با نرم افزار فلوئنت، کمی بیشتر بوده، لیکن در فیزیك های خاص مانند جریان در هندسه های دارای مرز متحرك و همچنین فیزیك های واکنشی، فلوئنت در مقایسه با آن، از توانایی بالاتری برخوردار است. می توان گفت در حال حاضر بیشتر کاربران این نرم افزار، کاربران صنعتی بوده و در مقایسه باFLUENT ، در برخی از صنایع و خصوصا سازندگان تجهیزات دوار، استفاده از آن بیشتر است. مطابق اخبار غیر رسمی اعلام شده در یك سمینار اینترنتی توسط شرکتANSYS ، قرار بر ادغام دو نرمافزار CFX و FLUENT و ارائه نرم افزار واحدی در نسخه های بالاتر از 15 بود، لیکن این امر تاکنون و نسخه 16 نرم افزار، میسر نشده است.

 

نرم افزار GAMBIT

این نرم افزار یکی از قدیمیترین نرم افزارهای تولید شبکه است که به دلیل پایه کارکرد در سیستم عامل لینوکس، نیازمند استفاده از رابط  Exceedبرای کار در محیط ویندوز است. انتشار این نرم افزار پس از خریداری مجموعه FLUENT توسط ANSYS ، و انتشار یك نسخه از آن متوقف گردید و پس از سال 2۰۰6 ، نسخه جدیدی از آن ارائه نشده است. به دلیل استفاده گسترده از آن در مجامع صنعتی و دانشگاهی کشور تا امروز، سعی شده است، این نرم افزار برای تولید شبکه سطحی بدون سازمان، به روش دلانی، نسبت به نرم افزار ICEM-CFD دارای مزایایی است.

 

نرم افزار ICEM-CFD

این نرم افزار به عنوان زیرمجموع هایی از نرم افزارANSYS ، یکی از قویترین و پرکاربردترین نرم افزارهای تولید شبکه است که در حال حاضر، به صورت گسترده در مجامع علمی و به ویژه مجامع صنعتی جهان، مورد استفاده قرار می گیرد. توانایی های گسترده این نرم افزار در تولید شبکه های سازمان یافته و بدون سازمان و همچنین رابطه جامع و بدون نقص آن در فراخوانی هندسه های تولید شده در سایر نرمافزارهای تولید هندسه مانندCATIA  و Solidworks ، موجب شده است، بتوان از آن در غالب پروژه های CFD استفاده نمود. شرکت های معتبر بسیاری مانند جنرال الکتریك، ناسا، مرسدس بنز، فورد و بسیاری از سازندگان خودروهای فرمول یك، جز کاربران این نرم افزاراند.

قابل ذکر است ICEM-CFD با وجود توانایی بالای تولید شبکه، در تولید هندسه و مدل، از قدرت و مانورپذیری بالایی برخوردار نیست، اما به تازگی و با خریداری نرم افزار SpaceClaim توسط شرکت ANSYS و ارتباط آسان آن با ICEM-CFD ، بسیاری از ضعف های تولید هندسه در ICEM-CFD نیز برطرف شده است.

 

نرم افزار TGrid

این نرم افزار که در حال حاضر، با نام FLUENT-Meshing نیز شناخته می شود، یکی از نرم افزارهای قدرتمند در زمینه تولید شبکه های بدون سازمان است و همزمان با نرمافزار FLUENT نصب گردیده و از طریق صفحه ورودی آن، قابل اجراست. این نرم افزار دارای رابط کاربری نسبتا ساده ایست که با استفاده از آن، می توان شبکه های بدون سازمان و لایه مرزی را بر روی هندسه های سه بعدی، به آسانی و با سرعت بالایی تولید نمود. در نسخه های جدید نرم افزار، برخی از قابلیت های نرمافزار ICEM-CFD نیز به آن اضافه شده است. در حال حاضر، امکان تولید هندسه در این نرم افزار وجود ندارد، لیکن با استفاده از رابط هندسی اضافه شده در نسخه 5 / 14 ، می توان به آسانی، هندسه های تولید شده در نرم افزارهای رایج تولید هندسه را در آن وارد نمود. همچنین در نسخه 16 آن، امکانات جدیدی برای تصحیح و ویرایش هندسی مدل، به آن اضافه گردیده است.

 

نرم افزار CFD-POST

در گذشته، از این نرمافزار برای تحلیل و تولید خروجی های نرمافزار CFX استفاده میگردید، لیکن با توجه به قابلیت های فراوان آن، امروزه به عنوان نرم افزار اصلی تحلیل و استخراج نتایج، در هر دو نرمافزار FLUENT و CFX مطرح است. این نرم افزار بر خلاف نرمافزار FLUENT ، قادر است تصاویری با کیفیت و جلوه های ویژه ارائه دهد و همچنین با استفاده از آن، می توان انیمیشن هایی با کیفیت HD و تعداد دلخواه فریم بر ثانیه تولید نمود.

 

نرم افزار Flowmaster

این نرم افزار به عنوان یکی از کاربردی ترین نرم افزارهای شبیه سازی یك بعدی ترموسیالاتی موجود در بازار امریکا و اروپا است. نرم افزارFlowmaster یکی از کاربردی ترین نرم افزارهای توسعه یافته توسط کمپانی Mentor Graphics بوده که به عنوان ابزاری سریع در تحلیل یك بعدی پدیده های ترمودینامیك و سیالاتی، دارای بیش از 2۰ سال سابقه است. در واقع می توان این نرم افزار را مشابه با نرم افزارهایی نظیر Thermoflow و یا GT Suite دانست و با این تفاوت که دارای کاربردی عمومی تر می باشد و از مهمترین مزایای آن قابلیت کوپل با نرم افزارهای رایج CFD می باشد.

 

نرم افزار Thermoflow

نرم افزار ترموفلو Thermoflow یکی از نرم افزارهای پیشگام در زمینه شبیه سازی سیستم های نیروگاهی و حرارتی بوده که از سال 1987 کار خود را آغاز کرده است. این نرم افزار همواره به عنوان کامل ترین نرم افزار در زمینه طراحی و تحلیل سیکل های نیروگاهی قادر است مراحل مختلف یك نیروگاه شامل تحلیل ترمودینامیکی، طراحی مهندسی تجهیزات و شبیه سازی در وضعیت خارج از طراحی را تحلیل نماید.

بدون شك این نرم افزار محبوبترین نرم افزار مورد استفاده در صنایع نیروگاهی بوده که برای انجام محاسبات از روابط ترمودینامیکی بهره می برد. بر خلاف سایر نرم افزارهای موجود در زمینه دینامیك سیالات محاسباتی، این نرم افزار مسائل را با روش صفر بعدی (عدم تحلیل سیالاتی) تحلیل می نماید و به همین جهت دارای سرعت پاسخگویی بسیار بالا و پایداری در محاسبات است. این نرم افزار دارای محیط های مختلفی می باشد که می تواند تحلیل سیکل های بخار و یا گازی را بسیار ساده نماید.

از جمله محیط های مختلف این برنامه می توان به موارد زیر اشاره نمود:
  • Gas Turbine Cycle
    • GT Pro
    • GT Master
    • Peace
    • PDE
    • Thermoflex
  • Steam Plant
    • Steam Pro
    • Steam Master
    • Re-Master
    • Thermoflex
از جمله قابلیت های این نرم افزار عبارتند از:
  • بررسی شاخص های مصرف انرژی و راندمان نیروگاه های حرارتی
  • مدلسازی نیروگاه های بخار، با استفاده از نرم افزار Steam pro و Steam master
  • مدلسازی نیروگاه های گازی و سیکل ترکیبی با استفاده از نرم افزار Gt pro و Gt Master
  • تحلیل نرم افزاری عوامل خارجی موثر بر عملکرد نیروگاه ها
  • تحلیل انرژی و اگزرژی توربین های بخار و گاز
  • تحلیل انرژی و اگزرژی مبدل های حرارتی، سوپرهیترها و دی سوپرهیترها
  • تحلیل انرژی و اگزرژی بویلرهای بخار نیروگاهها
  • تحلیل انرژی و اگزرژی کندانسورهای نیروگاهی
  • تحلیل انرژی و اگزرژی سیکل ترکیبی HRSG

تمامي نرم افزارهاي معرفي شده تنها نرم افزار اند! و اين تفکر مهندسي است که مشخص ميکند نتايج شبيه ساز درست است يا نه.

 

پایان بخش چهارم

شما هم از تجربه‌های خودتون در کار با این نرم افزارها برامون بگید.

 

- مطالعه بخش اول مقاله 
- مطالعه بخش دوم مقاله
- مطالعه بخش سوم مقاله
Subscribe
Notify of
guest
2 Comments
جدیدترین
قدیمی ترین بیشترین رای
Inline Feedbacks
View all comments
Chem Eng
Chem Eng
2020-06-19 8:22 ب.ظ

با سلام
اگر بخوام یه نرم افزار رو به صورت تخصصی یاد بگیرم که در صورتی که محیط کاری و شغل دائمی پیدا کنم هم بتونم با این نرم افزار به صورت فریلنسر کار کنم، در چه زمینه ای و با کدوم نرم افزار پروژه های بیشتری وجود داره؟