معرفی نرم‌افزار:
نرم‌افزار طراحی و تحلیل سیالاتی سیستم‌های توزیع سیال، ابزاری پیشرفته برای شبیه‌سازی شبکه‌های پیچیده جریان سیال است. این نرم‌افزار بر اساس معادلات ناویر استوکس یک بعدی توسعه یافته و به صورت کاملاً کوپل معادلات پیوستگی و مومنتوم را حل می‌نماید. در اینجا به چگونگی مدلسازی شبکه توزیع سیال و نتایج به دست آمده از نرم افزار توسعه یافته در شبیه‌سازی شبکه‌های یک‌بعدی توزیع آب پرداخته می‌شود. سپس نتایج به دست آمده با گزارش های استخراج شده از متدولوژی GFSSP، مورد اعتبار سنجی قرار می‌گیرد. مرجع [1] برای صحت سنجی استفاده شده است.
تعریف مسئله و شرایط مرزی:
بطور کلی، شبکه توزیع سیال مانند آب به عنوان شبکه جریان شناخته می‌شود، به همین خاطر تقریبا تمام این سیستم ها شامل تعداد زیادی لوله به هم متصل است. شبکه جریان مورد بررسی در این بخش به صورت شکل1 میباشد. در این مثال سیال آب در فشار psia 50 در گره مرزی 1 به مدار وارد می‌شود. آب از گره های مرزی 3،4و9 خارج می‌شود و مقدار فشار در این گره ها نیز معلوم میباشد. با استفاده از شبیه سازی کد یک بعدی میزان فشار در گره های داخلی و دبی جریان در تمام شاخه ها (لوله ها) محاسبه خواهد شد. طول، قطر و فاکتور زبری هر لوله در جدول1 ارائه شده است.
شکل1: شماتیکی از شبکه توزیع سیال
جدول1: اطلاعات شاخه های شبکه توزیع سیال
در شکل2 نحوه ایجاد گره های مرزی، گره های داخلی و شاخه ها برای ایجاد شبکه توزیع سیال مدل شده در کد یک بعدی، نشان داده شده است. مقادیر مرزی مقدار دهی شده اند.
شکل2: شبکه توزیع سیال مدل شده در کد یک بعدی
نتایج استخراج شده از مرجع [1]:
نتایج پیش بینی شده در جداول زیر ارائه شده است. جدول2 مقدار فشار در گرههای داخلی به واحد pisa و فوت آب ارائه کرده است.
جدول2: مقادیر فشار در گرههای داخلی
دبی جریان محاسبه شده توسط روش Hardy Cross و کد GFSSP-Nasa در جدول3 ارائه شده است.
جدول3: دبی جریان در روش Hardy Cross و کد GFSSP
شکل3 یک مقایسه بین دبی جریان های محاسبه شده توسط روش Hardy Cross و کد GFSSP نشان می‌دهد. این مقایسه با توجه به این واقعیت که روش هاردی کراس یک ضریب اصطکاک ثابت را در شاخه فرض می کند در حالی که GFSSP ضریب اصطکاک را برای همه شاخه ها محاسبه می کند، منطقی به نظر می رسد. بنابراین، با تغییر نرخ جریان، ضریب اصطکاک نیز تغییر می کند.
شکل3: مقایسه دبی های محاسبه شده توسط هاردی کراس و GFSSP
روش شبیه سازی:
شبیه سازی با استفاده از معادلات ناویر استوکس یک بعدی انجام شده است. معادلات ناویر استوکس بکار رفته شامل: معادله بقاء جرم، مومنتوم میباشد. در نرم‌افزار برای محاسبه ترم اصطکاکی و افت فشارها از روابط مخصوص به هر مولفه صنعتی (مانند: لوله، خم، فیتینگ و …) که در اینجا لوله فرض شده است، استفاده می‌شود. هندسه مورد نظر (شکل 1) در قالب شبکه یک بعدی به صورت شکل4 در نرم افزار مدلسازی شده است. شرایط مرزی مسئله با اعمال مقادیر فشار در گره های مربوطه اعمال می‌گردد.
شکل 4: شبیه سازی و نتایج تست کیس در محیط نرم افزار
نتایج شبیه سازی و مقایسه:
نتایج فشارهای محاسبه شده در گره ها توسط نرم افزار یک بعدی توسعه داده شده و مقایسه با نتایج مرجع [1]، در جدول4 ارائه شده است.
جدول4: نتایج فشار در کد GFSSP و کد یک بعدی توسعه یافته
همچنین مقایسه نتایج سرعت محاسبه شده در شاخه ها با استفاده از مرجع [1] و کد یک بعدی توسعه یافته، در جدول5 ارائه شده است.
جدول5: نتایج سرعت در کد GFSSP و کد یک بعدی توسعه یافته
با توجه به نتایج محاسبه مقادیر فشار در گره ها و سرعت در شاخه ها مشاهده می‌گردد که معادلات بقاء جرم و مومنتوم به درستی پیاده سازی شده اند و نتایج کاملا بر هم منطبق هستند. این امر نشانگر دقت محاسباتی بالا و اعتبار گزارش های به دست آمده از نرم افزار طراحی و تحلیل سیالاتی سیستم‌های توزیع سیال میباشد.