وبلاگ

در سال های اخیر حرکت جسم جامد در لوله ها از جنبه دیگری نیز مورد توجه مهندسان علوم پزشکی قرار گرفته است. جایی که به جهت مصارف پزشکی، انتقال اجسام جامد بسیار کوچک درون شریان های نقاط حساسی مثل قلب اهمیت پیدا می کند. البته مطالعات در این زمینه به دلیل شرایط خاص محیط از جمله سیال عامل که خون می باشد دارای ویژگی ها و پیچیدگی های خاص خود است.
امروزه با توسعه کاربرد تحلیل های عددی در حل مسائل مهندسی، اغلب مطالعات درزمینه بررسی انتقال اجسام جامد درسیال به این روش و معمولا با حل معادله ناویر- استوکس صورت می پذیرد. در دو دهه گذشته تعداد قابل توجهی الگوریتم عددی برای حل معادلات ناویر- استوکس تراکم ناپذیر ارائه گردیده است. سه گروه اصلی الگوریتم هایی که برای حل جریان های تراکم ناپذیر بکار می روند عبارت ازفرمول بندی مبتنی بر گردابه ها^[۵۸]، تراکم پذیری مصنوعی و روش های فشار (۴۶) می باشند. برای محاسبات دوبعدی به روش مبتنی بر گردابه ها، معادلات حاکم به صورت عبارت هایی از تابع جریان وگردابه ها فرمول بندی می شوند (۴۵). این روش را برای حالت سه بعدی به طور مستقیم نمی توان بکار برد. لذا برای حالت سه بعدی از فرمول بندی های دیگری مثل روش گردابه - سرعت (۱۶) روش بردار-پتانسیل (۳۴) وروش تابع جریان- بردار (۳) استفاده می شود. انتخاب شرایط مرزی در این روش ها دارای پیچیدگی های بسیار زیادی است. روش تراکم پذیری مصنوعی (۱۳و۲) مشتق زمانی فشار را به معادله پیوستگی اضافه کرده و میدان جریان در مرحله انتقالی، رفتاری مشابه تراکم پذیری پیدا می کند. دسته سوم الگوریتم ها، روش تصحیح فشار گفته می شود و برای میدان فشار از یک معادله پواسان^[۵۹] استفاده می نماید. در این روش یک میدان سرعت اولیه با بهره گرفتن از معادلات مومنتوم محاسبه شده و سپس از معادله پواسان فشار برای تصحیح میدان سرعت استفاده می شود، لذا معادله پیوستگی ارضا می شود (۱۵).

۲-۴ مدل تحلیلی تحقیق
دراین پایان نامه ابتدا حرکت پیگ به صورت استوانه هم مرکز در لوله فرض شده و براساس آن سرعت های سیال و جسم وهمچنین گرادیان فشار در ناحیه حلقوی مورد مطالعه قرار گرفته است. بر اساس فرمول بندی بدست آمده و به وسیله گروه های بی بعد، نمودارهایی برای نمایش ارتباط پارامترهای موثر در حل ترسیم گردیده است. با بهره گرفتن از نتایج بدست آمده می توان زمینه تئوری مناسبی برای آنچه درعبور سیال ازاستوانه رخ می دهد و اثرات لوله واستوانه بر یکدیگر بدست آورد.
در ادامه نیروهای هیدرودینامیکی وارد براستوانه بررسی گردیده اند. در بخش اول نیروی پسا وتنش برشی و در بخش بعد با حذف شناوری، نیروی برا وارد بر یک سیلندر مستغرق در سیال درون لوله ارائه شده است.
درانتها نیز به تحلیل عددی مدل یک استوانه درون لوله به وسیله نرم افزار فلوئنت اختصاص یافته است که در آن مدل های مختلفی از استوانه درون لوله مورد حل عددی قرار گرفته ونتایج بدست آمده از آن با نتایج بدست آمده درقسمت های قبل که بر اساس فرمول بندهای تئوری است مقایسه گردیده است.
فصل سوم
روش تحقیق
۳-۱ مقدمه
شاید بتوان گفت مهمترین بخش هر تحقیقی را کار عملی و چگونگی جمع آوری اطلاعات و نحوه تجزیه وتحلیل اطلاعات جمع آوری شده تشکیل می دهند. بنابراین انتخاب روش یا روش هایی که بتواند به بهترین وجه خصوصیات و ویژگی های اطلاعات جمع آوری شده را تحلیل و بررسی نماید از اهمیت خاصی برخوردار است. در این فصل به فرضیه های پژوهش، نحوه آزمون این فرضیه‌ها و روش شناختی مورد استفاده این پژوهش می‌پردازد و همچنین روش تحقیق و شیوه ی بررسی داده های پژوهش معرفی گردیده است.
۳-۲ روش و طرح تحقیق
دراین پژوهش پیگ به صورت یک جسم استوانه ای فرض شده و حرکت آن در لوله ها مورد مطالعه قرار گرفته است. برای این کار علاوه بر استفاده از فرمول بندی ونتایج بدست آمده ازسایر منابع مرتبط و تطبیق آنها با شرایط مساله موردنظر، ازنرم افزار فلوئنت برای حل عددی مدل های مختلف استوانه در لوله ها استفاده شده است.
۳-۳ فرایند تحقیق
ابتدا با آماده سازی پروپوزال و مرور ادبیات در زمینه حرکت پیگ در خطوط لوله به شروع کار پرداخته شده است. سپس با مطرح کردن سوالاتی اهداف مورد بررسی مشخص می شود، که بدین منظور فرضیه هایی منطقی نیز جهت ساده سازی مدل تحقیقی در نظر گرفته شده است.
در ادامه با بیان داده های سایر منابع به تجزیه و تحلیل آنها پرداخته، با مقایسه میان نتایج بدست آمده منجر به نتیجه گیری نسبتا جامعی می گردد و با طرح پیشنهاداتی که زمینه ساز پژوهش های آینده می باشند تحقیق خاتمه می یابد.
۳-۴ نمونه، روش نمونه گیری و حجم نمونه
با بررسی وضعیت حرکتی پیگ در خطوط لوله که به صورت جسم استوانه ای فرض گردیده و با حذف عواملی که تاثیر ناچیزی در هدف پیگ رانی دارند سعی بر آن شده که به تحلیل نمونه مورد نظر پرداخته شود و با بهره گیری از معادلات تئوری، رابطه ای قابل قبول میان پارامترهای تاثیرگذار بدست آورد که بتوان نتایج تجربی و نرم افزاری را جهت دستیابی به اهداف تحقیق سوق داد.
۳-۵ ابزار گرد آوری داده ها (اطلاعات)
ابزار گردآوری اطلاعات، وسائلی هستند که محقق به کمک آنها می تواند اطلاعات مورد نیاز را برای تجزیه و تحلیل و بررسی هدف مورد مطالعه و نهایتا کشف حقیقت گردآوری نماید. در تحقیق حاضر عمدتا از روش های مطالعه کتابخانه ای و همچنین ایجاد رابطه معقول میان بررسی های تئوری، تجربی و مهندسی می توان به اطلاعات مورد نظر دست یافت.
۳-۵-۱ روایی ابزار جمع آوری داده ها
قبل از به کارگیری ابزارها و معیارهای بررسی تحقیق لازم است پژوهشگر از طریق علمی، نسبت به روایی ابزار موردنظر و پایایی آن که مکمل هم به حساب می آیند اطمینان نسبی پیدا کند. در روایی تحقیق مقصود این است که آیا معیارهای اندازه گیری مورد نظر می تواند ویژگی و خصوصیتی که باعث رسیدن به اهداف می شود را تعیین کند یا خیر؟
در تحقیق فعلی منابع معتبر که از نظر علمی مورد تایید متخصصین می باشند، فرضیه ها و روابط تحلیلی منطقی به عنوان معیار سنجش مورد استفاده قرار می گیرد.
۳-۵-۲ پایایی ابزار جمع آوری داده ها
منظور از پایایی تحقیق میزان دقت شاخص ها و معیارهایی است که برای سنجش پدیده مورد نظر تهیه شده اند. در تعیین پایایی به دنبال آن هستیم که بدانیم آیا آنچه واقعا مورد نظر تحقیق بوده بدست آمده است یا خیر؟ به منظور دست یابی و سنجش میزان اعتبار نتایج و تجزیه و تحلیل پایایی تحقیق به بررسی روابط تئوری، نمودارها و نتایج تجربی پرداخته شده است که جهت تست فرضیات و قیاس جامع تر بین نتایج از نرم افزار فلوئنت استفاده می گردد. جهت تایید میزان نزدیکی نتایج به واقعیت، پیگ واقعی نیز با این نتایج مقایسه می گردد.
۳-۶ روش گردآوری داده ها
به منظور دستیابی به شناخت هرچه بیشتر پیگ ها اقدام به جمع آوری منابع و اطلاعات مرتبط با موضوع و بررسی کارهای مشابه صورت گرفته در ایران و جهان، پایان نامه های دانشجویی، بهره گیری از تجربیات افراد متخصص و مقالات خارجی پرداخته و ازطریق معادلات ناویر- استوکس، معادلات پایستگی جرم، معادلات پایستگی مومنتوم، تحلیل عددی و دینامیکی، نتایج خروجی از نرم افزار و مقایسه نتایج سعی در رسیدن به اهداف مورد نظر شده است.
۳-۷ روش تجزیه و تحلیل داده ها
تجزیه و تحلیل داده ها برای بررسی صحت و درستی فرضیات تحقیق از اهمیت خاصی برخوردار است. امروزه در بیشتر تحقیقات که متکی بر اطلاعات جمع آوری شده از موضوع مورد تحقیق می باشد تجزیه و تحلیل اطلاعات از اصلی ترین و مهمترین بخش های تحقیق محسوب می شود. در این پژوهش نیز بر اساس نمودارها و تحلیل های نرم افزار فلوئنت از چندین حالت که شرایط مساله را بر آورده می سازند سرعت، گرادیان فشار، تنش برشی و نیروهای وارد بر جسم در خطوط لوله را بررسی و به مقایسه آنها با نتایج تئوری و تجربی و همچنین پیگ واقعی می پردازد.
فصل چهارم
تجزیه و تحلیل داده ها
۴-۱ مقدمه
حرکت جسم جامد درلوله ها به دلیل کاربرد فراوان آن بویژه در صنعت نفت وگاز از اهمیت زیادی برخوردار است. پیگ ها به شکل های گوناگون و بنا به کاربردهای مختلف طراحی و در خطوط لوله رانده می شوند. سرعت حرکت پیگ باید تحت کنترل باشد تا از خرابی های ناشی ازحرکت نامناسب آن درون لوله جلوگیری شود. از طرفی برآورده شدن هدف پیگ رانی منوط به راندن پیگ با سرعت مناسب است. سرعت زیاد حرکت سبب پایین آمدن راندمان کار شده و سرعت کم امکان توقف را فراهم می سازد.
در این فصل ارتباط میان سرعت جسم و سیال با افت فشار ناشی از آن مورد بررسی قرار می گیرد و سپس به بررسی روابط تحلیلی نیروهای پسا و برا وهمچنین عوامل موثر در آنها می پردازیم. جهت آشنایی با این روابط از ضرایب بدون بعد پسا و برا استفاده شده و اثر پارامترهای موثر به صورت نمودار نشان داده می شود. ازآنجا که در کاربرد این نتایج از داده های تجربی استفاده می شود، اطلاعاتی که در طراحی و ساخت مورد استفاده است دراختیار قرار داده می شود. همچنین معادلات حاکم بر جریان و معادلات اغتشاشی مورد استفاده توسط نرم افزار فلوئنت معرفی می شوند.
۴-۲ تحلیل سرعت وگرادیان فشار
برای طراحی سیستم انتقال جسم جامد باید ارتباط میان سرعت و افت فشار با سایر پارامترها شناخته شده باشد. این پارامترها عبارتند از سرعت سیال، ابعاد جسم و لوله، وزن جسم وخواص مواد انتقال دهنده. پس از اینکه این اطلاعات به دست آمد ابعاد سیستم، نرخ و میزان جریان لازم برای پمپ شدن قابل محاسبه است. همچنین نشان داده خواهد شد که رابطه میان این پارامترها به طور ضمنی توسط معادلات انرژی و پیوستگی با در نظر گرفتن افت انرژی روی جسم بدست خواهد آمد.
جسم موردنظر در اینجا یک سیلندر به طول و شعاع می باشد که به صورت هم مرکزدر لوله ای به شعاع به طور افقی وعمودی حرکت می کند. هندسه جسم درشکل ۴-۱ نشان داده شده است.
x
r
شکل ۴-۱ هندسه جسم استوانه ای
فرض هم مرکزی جسم به هنگام حرکت ممکن است این تصور را بوجود آورد که حل بدست آمده غیر واقعی خواهد بود و امکان اعمال محدودیت هایی را در مدل پدید آورد، اما این فرض چندان هم غیر واقعی نیست. در لوله های عمودی جسم به هنگام حرکت با تکان های آرامی به سمت بالا حرکت می کند اما حرکت آن پایدار و در طول محور لوله است. در لوله های افقی نیز با یکسان در نظر گرفتن چگالی جسم وسیال همین حالت رخ می دهد. سرعت حرکت جسم درنظر گرفته می شود که توسط سیالی با سرعت به حرکت در می آید. در فاصله حلقوی میان لوله و سیلندر سرعت سیال است و جریان مغشوش در نظر گرفته می شود.
معمولا و مساوی نیستند .در حالتی که جسم نسبتا سنگین باشد درحقیقت به درون سیال فرو می افتد و از کوچکتر می گردد. در صورتی که چگالی جسم ازسیال کمتر باشد سرعت جسم ازسیال بیشتر می شود. در این حالت نیروی فشاری که جسم را به بالا می راند باید با نیروی ناشی از تنش برشی متعادل شود.
اگر مبدا مختصات را بر روی جسم فرض کنیم و محور مختصات با جسم حرکت کند، مساله به جریان سیال بر روی جسم ساکن تبدیل می شود و حل ساده تر می گردد. در این مبدا مختصات جدید جسم ساکن بوده ودیواره لوله با سرعت درخلاف جهت حرکت می کنند.

شکل ۴-۲ سرعت ها در مختصات متحرک
در مختصات جدید داریم:
= -
= -
با نوشتن معادله پیوستگی:
(۴-۱)
=(-)