CFD چیست و استفاده از آن مفید است؟

مزایا و محدودیت های دینامیک سیال محاسباتی در صنعت نفت و گاز دریایی

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) از اواخر قرن بیستم شتاب گرفته است. قدرت آن به عنوان یک نرم افزار پیش بینی کننده با وفاداری بالا همراه با گرافیک های قدرتمند امکان تجسم مشکلات چند بعدی را فراهم می کند. تجسم ها اغلب در اشاره به مسئله مربوط به رفتار جریان فیزیکی ذرات سیال و تعامل آنها با محیط اطراف مفید هستند. به همین ترتیب ، بسیاری از افراد به عنوان ابزاری برای تجزیه و تحلیل جریان هوا در اطراف خودروهای مسابقه همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، با آن آشنا هستند.

شکل 1: سرعت سطح در بدنه اتومبیل مسابقه که مسیرهای جریان را نشان می دهد (منبع: منتشر شده توسط Mentor Graphics - حسن نیت ارائه دهنده Voxdale)

در مهندسی دریایی ، CFD در ارائه بینش و پیش بینی ها برای مشکلات پیچیده ، یک منطقه طاقچه پیدا کرده است. چند نمونه از کاربرد CFD ، به ویژه در رشته تضمین جریان ، بررسی است:

• حداکثر سرعت فرسایش در خطوط لوله (به ویژه در لوله های کوچک و آرنج در هنگام حضور مواد جامد).
• پدیده های حمل و نقل شن و ماسه.
• عملکرد خنک کننده کولرهای زیرزمینی.
• حداقل دمای مواد عملیاتی (به عنوان مثال در هنگام راه اندازی مجدد سرد).
• تأثیر عایق آسیب دیده.
• میزان خنک کننده در لوله چاه (به دلیل فعل و انفعالات حرارتی پیچیده با محیط آن).
• مدل سازی پراکندگی نشت خط لوله زیر لوله.
• کاهش در جداکننده های مایع در سکوهای شناور.

با این حال ، به دلیل پیچیدگی ریاضیات داخلی آن ، شبیه سازی های CFD با پردازنده پردازنده هستند که منجر به زمان محاسباتی قابل توجهی و هزینه مدل سازی می شود. در نتیجه ، برای تعیین زمان ، کجا و چگونه باید از CFD استفاده شود.

رانندگان برای استفاده از CFD

برای تعیین اینکه آیا استفاده از CFD مناسب است ، ابتدا باید درایورهای استفاده از CFD را در نظر بگیرید. این درایورها محدود به نگرانی های مربوط به تضمین جریان از نظر فنی نیستند ، اما همچنین می توانند از نظر: رانندگان را در سطح پروژه قرار دهند:

• ارزش به دست آمده از طریق اثربخشی هزینه.
• ارزش به دست آمده در استراتژی های بهبود مدیریت ریسک.

ارزش در اثربخشی هزینه می تواند شامل نتایج CFD باشد که امکان طراحی تجهیزات کوچکتر و سبک تر یا امکان نصب ساده تر و ارزان تر را فراهم می کند.

ارزش در مدیریت ریسک می تواند شامل تعاریف بهتر در مورد تأثیرات عدم قطعیت ها ، امکان بهبود عملکرد تجهیزات ، افزایش انعطاف پذیری عملیاتی یا کمیت بهتر خطرات محیطی باشد تا اقدامات مناسب انجام شود.

در هر حالت ، برای توجیه استفاده از شبیه سازی های CFD می توان از قبل تخمین زده شد.

همچنین توجه داشته باشید که CFD تمایل به استفاده کمی در فضای طراحی مفهومی در صنایع نفت و گاز دارد. درعوض ، برنامه های آن در طول طراحی دقیق ، در جایی که بهبود ارزش و کاهش ریسک برای موفقیت پروژه یا در تیراندازی با گیاه نصب شده مهم تر است ، یافت می شود.

شکل 1 عصاره ای از یک اثر منتشر شده (ژورنال نفت و گاز) معمولی از یک مطالعه تضمین جریان را نشان می دهد که برای رفع نگرانی های عملیاتی انجام شده است. این کار به دلیل وجود پودر سیاه در خط لوله گاز فروش ، میزان فرسایش در خم لوله را پیش بینی می کند. پودر سیاه در طول نمونه گیری گاز یافت شد و به نمایش می گذارد و به عنوان ویژگی های فرسایش ، به نمایش می گذارد ، و این نشان می دهد که پتانسیل خرابی فرسایش ، به ویژه در اطراف خم های لوله ای که در آن ایجاد ذرات رخ می دهد ، نشان می دهد. از CFD برای مدل سازی خم لوله استفاده شد و اثرات طیف وسیعی از متغیرها مورد بررسی قرار گرفت ، از جمله قطر لوله ، سرعت جریان گاز و شعاع خم لوله. این مطالعه قادر به تعیین سرعت و پروفایل های غلظت پودر سیاه و همچنین نتیجه گیری بود که میزان فرسایش ناشی از پودر سیاه ناچیز است و از این رو نگران کننده نیست. در این مثال ، استفاده از CFD در حمایت از تصمیمات پیرامون مدیریت ریسک دارایی های عملیاتی ارزش افزوده دارد.

شکل 1: میزان فرسایش در خم شدن لوله

سمت چپ: مقطع مدل خط لوله که تنظیم مش برای محاسبه را نشان می دهد. توجه داشته باشید نزدیک بودن شبکه ها در نزدیکی دیواره لوله ، که برای گرفتن شیب های با سرعت بالا در آن منطقه مورد نیاز است. سمت راست: میزان فرسایش (کیلوگرم در متر ثانیه) به دلیل وجود پودر سیاه در گاز فروش در یک خم لوله پیش بینی شده است (اندازه ذرات از 2-20um). نرخ فرسایش به وضوح بیشتر است که سرعت گاز بیشتر باشد. توجه داشته باشید که CFD همچنین اجازه می دهد تا تجسم در مورد منطقه ضربه به احتمال زیاد باشد.

منبع: مجله نفت و گاز ، "قطر لوله تأثیر نمی گذارد پودر سیاه ، فرسایش" ، Ehab Elsaadawy و Abdelmounam Sherik (سعودی آرامکو)

محدودیت های CFD

مانند هر ابزار شبیه سازی تضمین جریان ، باید به محدودیت های CFD توجه داشته باشید. در یک گردش کار عمومی ، اجزای زیر انتظار می رود:

تصویر یک گردش کار شبیه سازی عمومی

برای به حداقل رساندن خطاها و عدم قطعیت نتایج به دست آمده و برای اطمینان از تولید این نتایج به موقع ، باید در هر جنبه ای از گردش کار جستجو شود. این سؤالات ممکن است شامل موارد زیر باشد:

• تجربه مرتبط تحلیلگر چیست؟
• مرزهای مدل چیست؟
• متغیرهای ورودی چیست؟
• ساده سازی های مورد نیاز (مانند ساده سازی با تقارن) به منظور ایجاد تعادل بین زمان مدل سازی و صحت اطلاعات به دست آمده چیست؟
• چه کاری می توان برای کاهش خطاهای عددی با توجه به تفکیک شبکه های فضایی (مش) ، مراحل زمانی و تکرارها انجام داد؟
• آیا با نادیده گرفتن اصطلاحات "ناچیز" اثر تجمعی خطاها وجود خواهد داشت؟
• آیا الگوریتم های مناسب به درستی اجرا شده اند؟
• آیا زمان محاسبه می تواند در برنامه پروژه تأثیر بگذارد؟
• آیا راهی برای معیار یا تأیید نتایج CFD برای کمک به تفسیر وجود دارد؟
• دامنه ای که نتایج CFD قابل اجرا است چیست؟آیا این دامنه به اندازه کافی گسترده است تا مشکل مورد نظر را حل کند؟

حتی وقتی صنعت CFD همچنان بالغ می شود ، باید تشخیص داد که نتایج شبیه سازی CFD هرگز 100 ٪ قابل اعتماد نیست زیرا:

• داده های ورودی ممکن است شامل نوعی حدس یا عدم دقت باشد.
• مدل ریاضی به اندازه کافی مکانیکی برای توصیف مشکل نیست.
• صحت نتایج با خطاهای عددی که ذاتی محاسبات دیجیتال هستند محدود می شود.

آینده CFD در صنایع نفت و گاز

انتظار می رود نقش CFD مربوط به تضمین جریان در صنایع نفت و گاز با افزایش تعداد پروژه های Brownfield رشد کند و نیاز به مطالعات مفصلی برای عیب یابی ، debottlenecking و/ یا بهینه سازی دارد.

همچنین می توان انتظار داشت که CFD سهم خود را در بهبود کارآیی انرژی تجهیزات فرآیند مانند احتراق توربین گازی و مبدل های حرارتی ، برای دستیابی به انتشار گازهای آلاینده های پایین تر مانند NOX و گازهای گلخانه ای و همچنین کاهش هزینه های عملیاتی ادامه دهد.