چكيده

در بسیاری از کاربردهای صنعتی ازجمله فیلترها، بسترهای کاتالیزوری و صنایع بسته‌بندی از محيط متخلخل استفاده می‌شود. این خودآموز نحوه شبیه‌سازی جریان گاز عبوری از یک محیط متخلخل را نشان می­‌دهد.

مسئله‌ای که در این خودآموز حل می­‌شود، مسئله عبور جریان گاز از یک مبدل کاتالیزوری است. مبدل­‌های کاتالیزوری عموما در تصفیه آلاینده­‌های موتورهای بنزینی و دیزلی با تبدیل آلاینده‌­­های خروجی خطرناک به مواد قابل قبول استفاده می‌­شوند. این آلاینده‌ها شامل مونواکسید کربن (CO)، اکسیدهای نیتروژن (NOx) و سوخت‌های هیدروکربنی که به‌صورت ناقص سوخته‌اند، می‌شوند. آلاینده‌های گازی خروجی به سمت Substrate هدایت می‌شوند که در حقیقت سازه‌ای سرامیکی است که با یک کاتالیزور فلزی مانند پلاتین یا پالادیوم پوشش‌دهی شده است.

ماهیت جریان گاز خروجی عامل مهمی در تعیین عملکرد مبدل کاتالیزوری است. از طرف دیگر گرادیان فشار و توزیع سرعت در مبدل کاتالیزوری از اهمیت ویژه­‌ای برخوردارند. بنابراین تجزیه‌وتحلیل‌های CFD کمک شایانی به طراحی مبدل­‌های کاتالیزوری می‌کنند. با مدل­‌سازی جریان گاز خروجی، افت فشار و یکنواختی جریان در مبدل را می‌­توان مشخص کرد. در این خودآموز، از فلوئنت برای مدل‌­سازی جریان گاز نیتروژن عبوری از یک مبدل کاتالیزوری و بررسی میدان جریان در آن استفاده می­‌شود.

این خودآموز به شما یاد می‌دهد که چگونه:

♦ یک ناحیه متخلخل با مقاومت مناسب ایجاد کنید،

♦ با استفاده از حل­‌گر (Solver) فشار­-مبنا جریان گاز عبوری از یک مبدل کاتالیزوری را شبیه‌سازی کنید،

♦ توزیع فشار و سرعت را روی صفحات خاصی از هندسه ترسیم کنید،

♦ با استفاده از نمودارهای X-Y و گزارش‌های عددی، افت فشار جریان در عبور از مبدل و میزان غیریکنواختی جریان را در سطح مقطع‌هایی از هندسه محاسبه کنید.

واژه‌های کلیدی

محیط متخلخل، آلاینده‌ها، اتومبیل، مبدل کاتالیزوری، فلوئنت، افت فشار، توزیع سرعت

پیش‌نیازها

در این خودآموز فرض می‌شود که شما یک یا چند خودآموز مقدماتی مانند خودآموز شماره ۱ با نام «راهنمای استفاده از فلوئنت در محیط ورک‌بنچ با حل جریان سیال و انتقال حرارت در یک زانویی مخلوط‌کننده» را مطالعه کرده‌اید و با محیط گرافیکی فلوئنت شامل نمودار درختی و منوهای آن آشنا هستید. بعضی مراحل مربوط به تنظیمات حل به‌صورت صریح نشان داده نخواهند شد.

شرح مسئله

در شکل زیر مبدل کاتالیزوری نشان داده شده است. گاز نیتروژن با سرعت یکنواخت ۲۲٫۶ متر بر ثانیه وارد مبدل می‌شود و پس از عبور از قسمت سرامیکی یکپارچه که کانال‌های مربعی‌شکلی دارد، از مبدل خارج می‌­شود.

در حالی که جریان در ورودی و خروجی آشفته است، جریان در Substrate آرام است و به کمک ضرایب افت لزجی و اینرسی در امتداد محور ورودی مدل خواهد شد. Substrate از جهات دیگر نفوذناپذیر است. این ویژگی به کمک ضرایب افتی که سه مرتبه بزرگی بزرگ‌تر از جهت اصلی جریان است، مدل‌­سازی خواهد شد.