پایان نامه رایگان با موضوع مدل ریاضی، شبیه سازی، نرم افزار

ی فیزیک مسأله از اهمیت بیشتری برخوردار است.
یکی دیگر از شاخصههای یک مطالعه عددی، صرف زمان کمتر جهت رسیدن به جواب نسبت به یک تحقیق آزمایشگاهی مشابه است. به این معنی که یک تحقیق محاسبهای میتواند با سرعت قابل ملاحظهای انجام شود. طراح میتواند مفاهیم صدها ترکیب از حالتهای مختلف را مطالعه کرده و طرح بهینه را انتخاب نماید.
از دیگر امتیازات مطالعه عددی نسبت به یک مطالعه آزمایشگاهی در کنترل بودن شرایط میباشد. برای حل یک مسئله از طریق کامپیوتر میتوان کلیه اطلاعات و جزئیات لازم را بدست آورد و به مقادیر تمام متغیرهای مربوط (مانند درجه حرارت،) در سراسر حوزه مورد علاقه دست یافت. در حالی که برخلاف شرایط نامطلوبی که ممکن است در تحقیق آزمایشگاهی پیش آید، مکانهای غیر قابل دسترس در یک کار محاسباتی اندک میباشد. بنابرین حتی در زمان انجام یک کار آزمایشگاهی تکمیل اطلاعات همزمان از طریق مطالعه عددی میتواند سودمندتر باشد.
با توجه به این که در یک محاسبه تئوری شرایط واقعی میتواند به آسانی شبیهسازی شود، نیازی به استفاده از مدلهای با مقیاس کوچک نمیباشد. برای یک برنامه کامپیوتری داشتن ابعاد هندسی بسیار بزرگ یا کوچک، به کار بردن درجه حرارت خیلی کم یا خیلی زیاد، استفاده از مواد سمی یا قابل اشتعال، دنبال کردن فرآیندهای بسیار سریع یا بسیار آهسته مشکل چندانی را ایجاد نمیکند.
گاهی اوقات یک تحقیق به جای پرداختن به بررسی پیچیده مهندسی صرفا به مطالعه پایهای یک پدیده میپردازد. یعنی محقق توجه خود را به تعداد کمی از پارامترهای اصلی معطوف نموده و دیگر جنبههای پدیده را نادیده میگیرد. بدین ترتیب، شرایط ایدهآل زیادی ممکن است به عنوان شرایط مطلوب مورد ملاحظه قرار بگیرد. به عنوان مثال میتوان به دو بعدی بودن، ثابت بودن جرم مخصوص، وجود یک سطح آدیاباتیک، یا داشتن نرخ نامحدود فعل و انفعال اشاره کرد. در یک کار محاسبهای، این شرایط میتوانند به آسانی و دقیقا برقرار شوند در صورتی که در یک آزمایش عملی دقیق حتی نزدیک شدن به شرایط ایدهآل دشوار به نظر میرسد.
3-3- نارساییهای محاسبات تئوری
همانگونه که قبلا ذکر شد، مفاهیم تحلیل عددی بر مبنای یک مدل ریاضی بنا نهاده شده است، در حالی که تحقیق آزمایشگاهی خود واقعیت را مورد مشاهده قرار میدهد. بنابراین اعتبار مدل ریاضی مفید بودن یک کار محاسبهای را محدود میکند.
باید توجه داشت نتیجه نهایی که از تحلیل عددی بدست میآید، به مدل ریاضی و روش حل عددی بستگی دارد. به طوری که به کار بردن یک مدل ریاضی نامناسب میتواند موجب تولید نتایج بیارزشی از یک تکنیک عددی ایدهآل شود.
بنابرین، برای بحث در مورد نارساییهای یک محاسبه تئوری تقسیم کردن تمام مسایل عملی به دو گروه به شرح زیر مفید خواهد بود.
گروه اول: مسایلی که برای آنها میتوان از یک بیان ریاضی مناسب بهره برد (مانند هدایت حرارت، جریانهای آرام، لایههای مرزی مغشوش ساده).
گروه دوم: مسایلی که برای آنها استفاده از یک بیان ریاضی مناسب امکانپذیر نمیباشد (مانند جریانهای مغشوش پیچیده، جریانهای غیر نیوتنی، تشکیل اکسیدهای نیتروژن در احتراق مغشوش و بعضی جریانهای دو فازی).
تشخیص اینکه یک مسأله جزو کدام گروه قرار میگیرد به اطلاعات ما درباره آن بستگی خواهد داشت. در گروه اول به جز بعضی حالتهای خاص استفاده از روش تئوری برتری دارد در حالی که در مسایل گروه دوم غالبا بررسیهای تجربی ترجیح داده میشود.
با توجه به مطالب فوق در انجام یک مطالعه استفاده از روشهای تحلیل کامپیوتری یا تحقیق آزمایشگاهی یا ترکیب مناسبی از هر دو روش منوط به شرایطی (طبیعت مسئله، اهداف مورد نظر، مسائل اقتصادی و دیگر شرایط) است که براساس آن انتخاب صورت میگیرد.
دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD عبارت از تحلیل سیستمهای شامل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیدههای همراه نظیر واکنشهای شیمیایی براساس شبیهسازی کامپیوتری میباشد.
3-4-هندسه
در پژوهش حاضر با استفاده از نرم افزارهایSolidWorks و CSTو ANSYS CFX شبیهسازی کلکتور TWT صورت گرفته است. این شبیهسازی در دو بخش انجام شده است. بخش اول، شبیه سازی نمونه خارجی میباشد که نمونه شماره 1 نام گذاری میشود. بخش دوم پروژه، شبیه سازی کلکتور TWT مورد نظر برای ساخت در داخل کشور میباشد که نمونهی شماره 2 نام گذاری میشود. نمونه شماره 1 و 2 از لحاظ توان کارکرد و ابعاد، با یکدیگر تفاوت دارند.
برای انجام شبیه سازی ابتدا توسط نرم افزار شبیه ساز CSTبیم الکترونی که به قسمت کلکتور وارد میشود شبیه سازی گردید، مقدار توان حرارتی و محل برخورد الکترونها بدست آمد، سپس هندسهی کلکتورها، با استفاده از نرم افزار Solid Work تولید و سپس مدلسازی حرارتی آن با استفاده از نرم افزار Ansys CFX انجام شد.
در حالت ایدهآل، برای به حداقل رساندن ابعاد کلکتور، شکل داخلی پوسته کلکتور باید طراحی بخصوصی داشته باشد، شکل ایده آلی که کلکتور میبایست طبق آن طراحی شود در شکل ‏31(a) نشان داده شده است، این طراحی با توجه به واگرایی بیم الکترونها بدست آمده است؛ از آنجا که ساخت چنین شکلی با مشکلات فراوانی همراه است و همچنین شکل واگرایی الکترونها ممکن است با تغییرات میدان مغناطیسی تغییر یابد لذا، طرح داخلی کلکتور را به شکل ‏31(b) میسازند]2[.
همچنین برای افزایش مساحت، شکل سطح انتهایی کلکتور را به صورت مورب میسازند تا الکترونها به سطح بزرگتری برخورد نمایند و میزان انرژی بر واحد سطح کلکتور کاهش پیدا کند.
شکل ‏31- طراحی کلکتور
شکل a سطح توان ثابت پرتو الکترونی واگرا شده را نمایش میدهد.
در چنین حالتی معمولا دو نقطهی مهم در کلکتور مطرح میشود.
1-محلی که الکترونها اولین برخوردها را با پوسته داخلی دارند.
2-انتهای کلکتور
از جمله مواردی که باعث میشود شکل بیم الکترونی، از حالت ایدهآل واگرایی خود خارج شود، حضور یونهای مثبتی میباشد که باعث خنثی شدن بار منفی الکترونها میشوند؛ علاوه بر حضور یونهای مثبت، امکان نفوذ میدان مغناطیسی از قسمت هلیکس نیز ممکن است باعث کاهش میزان واگرایی الکترونها گردد. از آنجا که در استفادههای صنعتی هر چه کلکتور کوچکتر باشد بهتر است لذا، طول کلکتور را نیز به اندازه طولی از بیم واگرا شده کلکتور در نظر میگیرند که خطوط توان ثابت پرتو الکترونی قرار دارد]2[.
کلکتور از چند قسمت مختلف، با جنس های گوناگون تشکیل شده است. شماتیک کلی از کلکتور در شکل ‏32 نمایش داده شده است.
شکل ‏32- نمای سه بعدی کلکتور
اجزا تشکیل دهنده کلکتور در شکلهای 3-3 تا 3-13 نشان داده شدهاند. همانطور که مشاهده می شود کل سیستم (که استوانهای شکل است) بر روی یک پایه از جنس آلومینیوم قرار گرفته که در شکل ‏33 نمایش داده شده است.
شکل ‏33- پایه خنک کننده مربوط به کلکتور
از وظایف پایه، محافظت از پوسته ی بیرونی کلکتور TWT میباشد. همچنین نمایی از روبروی سیستم نیز در شکل ‏34 قابل مشاهده است که به خوبی موقعیت کلکتور و نحوه قرارگیری آن را بر روی پایه نشان میدهد.
شکل ‏34- نمای روبروی کلکتور و پایهی آن
در شکل ‏35 نیز شکل 4 نمایی از کلکتور TWT نمایش داده شده است.
شکل ‏35- چهارنمای کلکتور
کلکتورتقویت کنندهی TWT از یک پوسته ی خارجی از جنس مس فاقد اکسیژن تشکیل شده است که در شکل ‏36 نمایش داده شده است.
شکل ‏36- پوسته خارجی کلکتور
یکی از خواص مس فاقد اکسیژن، هدایت گرمایی بالای آن میباشد
در قسمت داخلی پوسته، محل هایی برای قرار گرفتن سرامیک تعبیه شده است. نمای کلی سرامیک در شکل ‏37 نمایش داده شده است.
شکل ‏37-سرامیک جدا کننده پوسته داخلی و خارجی
جنس سرامیک ها میتواند از برلیا، آلومینا و یا آلومینیوم نیترید باشد که بر اساس نوع TWT و توانی که تولید میکند میتوان جنس سرامیک ها را انتخاب کرد. همچنین برای ساخت سرامیک های فوق نیز محدودیت هایی وجود دارد. از لحاظ خواص حرارتی ، برلیا و آلومینیوم نیترید بهتر از آلومینا میباشند زیرا هدایت گرمایی بالاتری دارند و بهتر میتوانند گرمایی تولید شده در قسمتهای داخلی کلکتور را به بیرون هدایت نمایند. اما برلیا ماده ای سمی میباشد و فرایند ساخت آن نیز پیچیده است از طرفی آلومینیوم نیترید نیز دارای فرایند ساخت پیچیده و زمانبر می باشد.
نحوهی قرار گیری سرامیکها در پوستهی خارجی در شکل ‏38 نمایش داده شده است.
شکل ‏38- نحوه قرار گیری سرامیک ها در کلکتور
از دیگر اجزا تشکیل دهنده کلکتور، پوسته داخلی میباشد .
جنس این قسمت از نیز از مس فاقد اکسیژن است. همچنین محل برخورد الکترون ها نیز به قسمت داخلی پوستهی داخلی میباشد لذا این قسمت محل تولید گرما بوده و دارای بالاترین دما خواهد بود.
شماتیکی کلی از پوسته داخلی در شکل ‏39 نمایش داده شده است.
شکل ‏39-پوسته داخلی کلکتور
قسمتهایی که با رنگهای مختلف نشان داده شده اند، توسط مقادیر مختلفی از الکترونها بمباران شده لذا دارای حرارت مختلف میباشند.
نحوه ی قرار گیری پوسته ی داخلی درون سرامیکها در شکل ‏310 نمایش داده شده است.
شکل ‏310- نحوه قرارگیری پوسته داخلی
دو قسمت حلقه مانند در ابتدا و انتهای کلکتور قرار دارند و جنس آنها از کوار میباشد در شکل ‏311 و شکل ‏312 نمایش داده شدهاند.
شکل ‏311 حلقه ی ابتدایی
شکل ‏312 حلقه ی انتهایی
انتهای سیستم به وسیلهی یک صفحه از جنس آلومینا بسته شده است که در شکل ‏313 نمایش داده شده است.
شکل ‏313- قسمت انتهایی سیستم از جنس آلومینا
در مجموع از کنار هم قرار گرفتن قطعات فوق، مجموعه ی کلکتور ساخته میشود.
همانطور که گفته شد الکترونها به قسمت داخلی پوسته ی داخلی برخورد کرده و باعث تولید حرارت میشوند این حرارت از طریق قسمتهای مختلف بایستی به بیرون از سیستم منتقل شود در غیر این صورت باعث بالارفتن دمای قسمتهای مختلف میشود. برای خنک سازی کلکتور، کل مجموعه از طریق صفحهی زیرین پایه آلومینیومی بر روی یک تبادلگر حرارتی قرار داده شده که آب سرد از یک طرف وارد و از طرف دیگر خارج میشود. این امر سبب میشود که دمای صفحه ی زیرین پایه آلومینیمی ثابت بماند.
برش طولی از ساختار کلکتور به همراه اجزاء آن در شکل ‏314 نشان داده شده است.
الکترونها پس از عبور از ساختار موج آهسته وارد کلکتور میشوند و به علت دارا بودن سرعت متفاوت و نیرویی که به علت بارهای همنام به یکدیگر وارد میکنند از یکدیگر دور شده و به طور غیر یکنواخت به بدنه داخلی برخورد میکنند و باعث تولید گرما در بدنه داخلی میشوند. توزیع توان در کلکتور 900 وات به دست آمده از نرمافزار CST در شکل ‏315نشان داده شده است. همچنین تمام فضای داخلی ساختار تحت خلأ قرار دارد.
شکل ‏314: برش طولی از کلکتور به همراه اجزاء آن. 1-سرامیک 2-بدنه داخلی(مس فاقد اکسیژن) 3-قطعه انتهایی کلکتور(مس فاقد اکسیژن) 4-بدنه خارجی (مس فاقد اکسیژن) 5-رینگ آب بندی ابتدایی (آلیاژ کوار) 6- رینگ آب بندی انتهایی (آلیاژ کوار) 7-صفحه ایزوله کننده الکتریکی انتهایی (سرامیک آلومینا) 8- رینگ اتصال انتهایی (کوار) 9- پایه خنک کننده (آلومینیوم).
شکل ‏315: توزیع توان حاصل از برخورد الکترونها به بدنه داخلی کلکتور900 وات.
برای مش بندی از مش های چهاروجهی استفاده شد و به وسیله Ansys ICEM مش زده شد.
علت استفاده از مشهای چهار وجهی، انعطاف پذیری بالای این نوع مش در شکلهای سه بعدی میباشد.
نمایی از مش بندی مساله در شکل ‏316 ملاحظه میشود.
شکل ‏316- نمای سه بعدی از مش بندی
تمامی صفحات ممکن به صورت MAP مش زده شدند تا از

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *