(( … و تَصریفِ الرّیاحِ آیاتٌ لقومٍ یَعقلونَ ))

«…و در چرخش بادها برای مردمی که می اندیشند، نشانه هایی است.»

نیاز روزافزون بشر به مصرف انرژی از یک سو و لزوم حفظ و حراست از محیط زندگی در برابر تبعات ناشی از سوختهای فسیلی از سوی دیگر، موجب شده است تا منابع انرژی پاک بیش از هر زمان دیگر مورد توجه قرار گیرند. سیستم های انرژی تجدیدپذیر شاخص ترین منابع انرژی پاک را شامل می شوند. تبعات آلودگی های زیست محیطی ناشی از انرژی های فسیلی، امروزه چنان گسترده شده است که بشر از طرفی حسرت اقدامات گذشته و توسعه ناپایدار و ناهمگون بنا شده در آن را می خورد و در پی چاره ای برای گریز از این شرایط است؛ اما از سویی هچنان ناگزیر به ادامه روند چنین توسعه ای می باشد چرا که تغییر فرهنگ در استفاده از فناوری چه در بخش تولید و چه در مصرف نیازمند گذر زمان و صرف هزینه های فراوان است. از این رو سرمایه گذاری های فراوان و روزافزونی به ویژه در کشورهای توسعه یافته جهت مطالعه در زمینه رشد و گسترش بهره برداری از انرژی های تجدیدپذیر از یک سو در بخش تولید (در مقیاس بالا و بُعد نیروگاهی) و از سمت دیگر، فرهنگ سازی در بخش مصرف، چه در زمینه استفاده از انرژی های مقیاس مستقل و پاک و چه در زمینه بهبود الگوی مصرف انجام پذیرفته است]1 .[

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

1-2- انرژی تجدیدپذیر

بر خلاف سوختهای فسیلی، منابع انرژی های تجدیدپذیر دائما ایجاد می گردد و می توانند پایدار بمانند. چند منبع انرژی تجدیدپذیر که بیشتر از آنها استفاده می گردد، عبارتند از: انرژی زیست توده(مانند چوب و ضایعات آن، زباله جامد شهری، بایوگاز، اتانول، بیودیزل و ..)، انرژی با قدرت بالا(مانند پتانسل آب، موج اقیانوس و …)، انرژی خورشیدی و انرژی باد.

در سال2006، نزدیک 18% کل انرژی مصرفی جهان از انرژی های تجدیدپذیر تامین می گشت. همچنین 13% آن نیز از انرژی های زیست توده بوده که عمدتا برای مصارف گرم کردن می باشد و تنها 3% انرژی از نوع هیدروالکتریسیته می باشد. انرژی های تجدیدپذیر (شامل: انرژی با قدرت بالا جزئی، انرژی باد و انرژی خورشیدی و …) نیز 2.4 درصد را به خود اختصاص داده است. سهم انرژی های تجدیدپذیر از تولید برق حدود 18 درصد است که حدود 15 درصد مربوط به توربین های آبی بوده و مابقی از سایر انرژی های تجدیدپذیر تولید می گردد. سیاست اروپا در مورد تولید برق از انرژی های تجدیدپذیر در پیشبرد اهداف کلان خود حدود 20 درصد می باشد.

در تابستان سال 2010 میلادی، دولتهای عضو کمسیسون انرژی اروپا طرح ها و برنامه های خود را ارائه کردند. استفاده از انرژی تجدیدپذیر در بعضی کشورها جزو اهداف توسعه ملی آنها بود. در دانمارک، سیاست و اهداف دراز مدتشان رسیدن به میزان تولید برق 30 درصدی از منابع تجدیدپذیر تا سال 2020 میلادی می باشد.

امروزه عملیات انفجار در توده­سنگ­های سخت امری اجتناب­ناپذیر در بسیاری از پروژه­های معدنی و عمرانی محسوب می­شود و در صورت عدم دقت در طراحی آن می­تواند خسارات جانی و مالی زیادی را به تمامی پروژه­های عمرانی یا معدنی وارد آورد.
نتیجه یک عملیات آتشباری به پارامترهای متعددی مانند خصوصیات مکانیکی­سنگ توده‌سنگ ( مقاومت فشاری تک محوری و سه محوری، مقاومت برشی، مقاومت کششی و مدول ارتجاعی توده سنگ و…)، خصوصیات دینامیکی سنگ، میزان و نوع ناپیوستگی‌ها، مشخصات الگوی انفجار ( قطر چال، طول چال، ضخامت بار سنگ، فاصله ردیفی چال‌ها، ارتفاع گل‌گذاری، طول اضافه حفاری و …)، نوع مواد منفجره، نحوه خرج‌گذاری، ترتیب انفجار چال‌ها، میزان تاخیرها و … بستگی دارد. در ابتدا بایستی مفهوم قابلیت انفجار بیان گردد. هنگامی که در دو 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

  توده­سنگ مختلف با هندسه انفجار و انرژی ماده منفجره­ی مشابه ، انفجار صورت می­گیرد، درجه­های مختلفی از خردایش در آنها ملاحظه می­شود. علت این است که توده­سنگ­ها بطور ذاتی مقاومت متفاوتی در برابر خرد شدن بوسیله انفجار دارند. این خاصیت را قابلیت انفجار می­نامند. این مشخصه به نظر می­رسد که نوعی خاصیت ذاتی سنگ، مانند سختی است و فاکتورهای زیادی بر روی آن تاثیر می­گذارند. پارامترهای موثر بر قابلیت انفجار به سه گروه کلی (1) خصوصیات ماده­سنگ (2) خصوصیات توده­سنگ (3) مشخصات طراحی تقسیم شده­اند.
خواص فیزیکی و ژئومکانیکی توده­سنگ، از مهمترین پارامترهای موثر درطراحی الگوی حفاری و آتشباری هستند. این پارامترها را می­توان در دو گروه جای داد؛ گروه اول شامل خواص ماده­سنگ نظیر مقاومت، سختی، مدول الاستیسیته، چگالی سنگ و غیره. این پارامترها به ساخت ماده­سنگ، پیوستگی درونی و ترکیب و توزیع کانی­های تشکیل­دهنده سنگ بستگی دارند. گروه دوم شامل ساختار ناپیوستگی­ها مانند جهت­داری، فاصله­داری و تداوم ناپیوستگی­ها و غیره می­شود.
قابلیت انفجار رابطه مستقیمی با خردایش و نتایج حاصل از آتشباری دارد، بطوری که با داشتن قابلیت انفجار می­توان آتشباری در معادن و در نتیجه خردایش مطلوب را طراحی نمود. برای محاسبه قابلیت انفجار روابط زیادی ارائه شده­اند که اساس و اعتبارسنجی آنها با استفاده از داده­های واقعی آتشباری انجام گرفته است. در صورتی که داده­های واقعی آتشباری در دسترس نباشد و یا معدن در مرحله­ی طراحی اولیه قرار داشته باشد بایستی از روابطی که بطور غیرمستقیم قابلیت انفجار را محاسبه می­کنند، استفاده کرد. از جمله مهمترین این روابط میتوان به روابط کوز-رام و رابطه سوئبرک اشاره نمود.
1-2-      پیشینه تحقیق
1-3-     هدف تحقیق
1-4-     ساختار تحقیق
در فصل دوم این تحقیق قابلیت انفجار مورد بررسی قرار می­گیرد كه شامل پارامترهای موثر از سیستم توده­سنگ، سیستم انفجار و شرایط انفجار است. در فصل سوم روش­های تخریبی بخصوص روش تخریب طبقات فرعی مورد بحث قرار می­گیرند. در فصل چهارم نحوه­ی تخمین خردایش معرفی شده و سپس در فصل پنجم معدن مورد مطالعه معرفی و قابلیت انفجار آن محاسبه می­شود.  

آتشباری یكی از اصلی‌ترین عملیات معدن­كاری برای جدا کردن سنگ از توده و خردایش آن تا حد قابل قبول است. و در اصل به کار بردن انرژی آزاد شده حاصل از انفجار مواد منفجره برای شکستن و جدا کردن آن از توده می‌باشد. لذا این عملیات نیازمند شناخت کامل همه پارامترهای موثر و طراحی بهینه می‌باشد که در نتیجه شرایط نامناسب زمین یا طراحی ضعیف، ممكن است باعث پیامد های نامطلوبی مثل پرتاب سنگ، لرزش زمین، لرزش هوا، عقب زدگی، ایجاد سر و صدا، تولید گرد و غبار وبر جای ماندن بلوك‎های بزرگی نیازمند شكستن مجدد شود (شکل1-1).
شکل (1-1)حفاری مجدد قطعات بزرگ ناشی از آتشباری ناموفق (معدن چادرملو)
یك عملیات آتشباری خوب طراحی شده، عملیاتی است كه منجر به تولید سنگ خرد شده‌ای شود که ابعاد و توزیع دانه بندی آن مطابق با ابعاد و توزیع دانه بندی قابل بارگیری و باربری توسط تجهیزات موجود و قابل خردایش توسط كارخانه سنگ‎شكنی باشد و نیاز به خرد كردن مجدد سنگ نباشد. از آنجایی كه میزان خردایش ناشی از آتشباری تأثیر مهمی بر فرآیند دیگر عملیات معدن‎كاری از قبیل بارگیری، باربری، سنگ‎شكنی و آسیا كنی دارد، انجام مطالعات جهت بهینه­سازی خردایش اهمیت بسزایی دارد چرا که علاوه بر تأثیر مستقیم بر هزینه استخراج و فرآوری ماده معدنی، بر ایمنی این عملیات و كنترل پرتاب سنگ و دیواره‌ها نیز مؤثر است [1][2][3].
علی­رغم توسعه روش‌های مختلف در زمینه  تعیین قابلیت انفجار تاكنون تلاش كمی جهت توسعه پارامترهای كمی و سیستماتیك مؤثر بر این قابلیت سنگ صورت گرفته است. مطالعات صورت گرفته در این زمینه كه گاهاً منجر به ارائه روابطی نیز شده است، قادر به بیان خصوصیت قابلیت آتشباری توده سنگ نیستند و هنوز رابطه یا سیستم طبقه‎بندی جامعی جهت پیش‎بینی این قابلیت توده سنگ ارائه نگردیده است. تلاش‌هایی نیز كه در این زمینه صورت گرفته، قابلیت كاربرد وسیع در عملیات آتشباری را ندارند. زیرا جهت عملیاتی كردن این سیستم‎های طبقه‎بندی نیاز به بررسی یكسری از خصوصیات توده سنگ می‎باشد كه برآورد آن‌ها زمان زیادی را می‎طلبد. در حالی که در صنعت معدن کاری وقت و سرعت تولید بسیار حائز اهمیت است و این طراحی سیستم طبقه‎بندی توده سنگی را می‎طلبد كه به سرعت 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

  بتواند خصوصیات توده سنگ را در رابطه با قابلیت آتشباری آن توصیف كند. از طرفی نیز قابلیت ایجاد رابطه با پارامترهای طراحی و مواد منفجره را دارا باشد.
اهمیت وجود چنین سیستم طبقه‎بندی توده سنگی قابلیت كاربرد آن در پروژه‎های معدنی جهت طراحی بهینه طرح آتشباری برای رسیدن به توزیع اندازه مورد نظر ذرات حاصل از انفجار با حداقل مواد منفجره مصرفی می‎باشد. در صورت دست‎یابی به چنین طبقه‎بندی توده سنگی علاوه بر كاهش هزینه تولید مصالح معدنی دلخواه می‎توان هزینه بارگیری، حمل‎و‎نقل، خردایش و فرآوری ماده معدنی را تا حد زیادی كاهش داد و در نتیجه قابلیت اقتصادی معدن را به شدت افزایش داد.
قابلیت انفجار توده سنگ ویژگی بسیار مهمی در طراحی آتشباری در معادن و فعالیت‌های عمرانی می‌باشد که با سیستم توده سنگ، سیستم انفجار و شرایط محیطی انفجار دارای ارتباط تنگاتنگ است (شکل1-2) و نتیجه آن خردایش توده سنگ به ابعاد و با توزیع دانه بندی مورد نیاز می‌باشد.
از آنجائیکه ویژگی‌های مؤثر بر قابلیت انفجار و نتیجه آتشباری زیاد می‌باشد، محققان در تحقیقات خود بسته به وزن تاثیر، برخی از آن‌ها را مورد بررسی قرار ‌داده‌اند و تأثیر آن‌ها را از طریق روابطی استنباط کرده‌اند.
برخی از این دانشمندان قابلیت انفجار را با شاخصی ساده بیان نموده، برخی با یک طبقه بندی دارای پارامتر های متعدد و برخی دیگر با استفاده از روش‌های هوشمند ارتباط آن‌ها را پیدا نموده‌اند. در این فصل همه دیدگاه‌ها و تحقیقات گذشته که در مورد قابلیت انفجار توده سنگ انجام گرفته‌ مورد بررسی قرار می‌گیرد.
شکل (1-2)عوامل مؤثر بر قابلیت انفجار
1-2- سیستم توده سنگ
پارامترهای مربوط به طبیعت توده سنگ شامل ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی سنگ بکر و ناپیوستگی‌ها، قوانین حاکم بر مقاومت و رفتار آن‌ها و شرایط محیطی مثل تنش‌ها، بارهای دینامیکی و هیدرو سیستم می‌شود که به پارامتر های غیر قابل کنترل موثر بر انفجار نام برده می‌شود. از خصوصیات سنگ بکر می‌توان به مقاومت تراکمی و کششی، وزن حجمی، مقاومت برشی، سختی، الاستیسیته، تغییر شکل‌پذیری، دوام و اندازه دانه‌ها اشاره کرد. این خصوصیات مرتبط با بافت سنگ، پیوندهای داخلی، ترکیب و توزیع کانی‌های تشکیل دهنده سنگ هستند. از خصوصیات ناپیوستگی‌ها نیز می‌توان به جهت‌داری، فاصله‌داری، تداوم، بازشدگی، زبری، خصوصیات مواد پرکننده،… اشاره کرد. شکل(1-3)برخی از ویژگی‌های توده سنگ موثر بر قابلیت انفجار را نشان می‌دهد.
شکل (1-3)ویژگی‌های توده سنگ موثر بر قابلیت انفجار
ویژگی‌های توده سنگ در عملیات آتشباری مهم‌ترین و پیچیده‌ترین عواملی هستند که بر آن مؤثر بوده و لذا در هنگام شروع معدن کاری در معادن روباز و یا در پروژه‌های عمرانی و همچنین در هنگام برنامه ریزی و طراحی باید مد نظر قرار گیرد.[2]
1-3- سیستم انفجار
به مجموعه مواد منفجره، روش‌های انفجار و هندسه انفجار سیستم انفجار گفته می‌شود. پارامتر های این سیستم معمولاً قابل کنترل بوده و برای رسیدن به انفجار بهینه قابل تغییر می‌باشند لذا هرگاه سخن از طراحی انفجار و آتشباری است مقصود تغییر در این پارامترها بر اساس پارامتر های غیر قابل کنترل توده سنگ و شرایط انفجار تا رسیدن به نتیجه انفجار مطلوب است.
ماده منفجره ترکیبی شیمیایی و یا مخلوطی مکانیکی است که در اثر جرقه، ضربه، حرارت و یا شعله در مدت زمان کوتاهی تجزیه و مقدار بسیار زیادی گاز و حرارت تولید می‌کند. این مواد انرژی را به صورت ذخیره در خود نگه می‌دارند و آماده برای اجرای مقاصد نظامی و مهندسی می‌باشند. مواد منفجره به صورت جامد، مایع و یا مخلوط جامد و مایع وجود دارند. در یک انفجار، بیشتر مواد متشکله ماده منفجره، تغییر حالت داده و ضمن ایجاد موج ضربه، اکثراً به گاز تبدیل می‌شوند و در این فعل و انفعالات، مقدار زیادی حرارت تولید می‌شود که باعث انبساط گازها شده و به دیواره محیط اطراف فشار وارد می‌کند.

امروزه مبحث پایداری شیب یکی از پارامترهای اصلی و تعیین­کننده در اقتصاد و ایمنی معادن روباز است. اختصاص یک شیب برای کل دیواره‌های معدن در بیش‌تر معادن درست نیست چرا که دیواره‌های معدن معمولاً از مصالح مختلف و با شرایط ساختاری متفاوتی تشکیل‌شده‌اند و بنابراین، باید طراحی شیب پس از تعیین پارامترهای ژئوتکنیکی، سنگ‌شناسی مختلف و مشخص­شدن محدوده­های ژئوتکنیکی تعیین شود.
مطالعات پایداری دیواره‌های معادن، پس از وقوع چند ریزش، به طور جدی مورد توجه قرار گرفت. از جملۀ این موارد می­توان به ریزش دیوارۀ معدن چوکیکاماتا[1] در کشور شیلی اشاره کرد. ارتفاع این دیواره در زمان ریزش ۲۸۴ متر و زاویۀ آن ۴۳ درجه بوده است. علت اصلی این ریزش، لرزش­های ناشی از زمین­لرزه تشخیص داده‌شده است. [1]
از طرف دیگر کسب حداکثر سود ممکن حاصل از استخراج مادۀ معدنی تحت شرایط ایمن یکی از اهداف اصلی معدن­کاری در طول تاریخ بوده است. اگر چه در ظاهر ایمنی و سود دو هدفی هستند در خلاف جهت یکدیگر (بدین معنی که با افزایش یکی، دیگری کاهش می­یابد) اما تجربه نشان داده که افزایش ایمنی تا یک حد قابل‌قبول در معادن باعث عدم وقوع حوادث ناگواری شده که این به نوبۀ خود به طور غیرمستقیم باعث افزایش سود قابل وصول برای معدن­کار می­شود؛ بنابراین یکی از جلوه‌های اثر متقابل ایمنی و سود، بحث پایداری شیب در معادن روباز است. افزایش شیب سرتاسری معادن روباز از یک طرف باعث کاهش نسبت باطله برداری و به تبع آن افزایش عایدی معدن شده و از طرف دیگر افزایش شیب، احتمال ناپایداری را در شیروانی افزایش می‌دهد. لذا در اولین مرحله از طراحی معدن باید مطالعات ژئوتکنیکی، زمین‌شناسی ساختمانی و زمین آب‌شناسی کاملی از معدن انجام پذیرد تا بر اساس این مطالعات و همچنین شناخت کافی از نوع ریزش احتمالی در بخش‌های مختلف معدن، در مرحله دوم حداکثر زاویة شیب ایمن برای معدن به دست آید. مسلماً در این مراحل تأثیر روش‌های مختلف پایدارسازی نظیر آبکشی روی زاویة شیب ایمن و همچنین هزینه‌های تحمیلی آن‌ها به معدن­کار باید مورد بررسی دقیق قرار گیرد.
روش استخراج روباز یکی از روش‌های معدن­کاری با هزینۀ استخراج به نسبت پایین است که در آن قابلیت مکانیزاسیون و مقدار تولید می‌تواند خیلی زیاد باشد. لذا استخراج کانی‌هایی با عیار خیلی کم که استخراج آن‌ها با روش‌های زیرزمینی غیراقتصادی است، امکان‌پذیر است. در چند دهة اخیر عمق معادن روباز افزایش یافته و عمق‌های بیش‌تر از 500 متر، دیگر غیرمعمول نیستند. از آنجایی که روش استخراج زیرزمینی هنوز پرهزینه‌تر از روش استخراج روباز است، استخراج یک چنین کانسارهایی با روش زیرزمینی و چشم‌پوشی از استخراج روباز در آینده غیر محتمل است. لذا انتظار می‌رود که عمق معادن روباز در آینده افزایش یابد، البته به شرط اینکه هزینة تولید کاهش و قیمت فلز ثابت بماند. یک پیچیدگی مهم که با افزایش عمق به ‌وجود می‌آید‏، خطر ناپایداری بزرگ‌مقیاس است. شکست بزرگ‌مقیاس به طور بالقوه در کل ارتفاع شیروانی و آن هم در محدودة نهایی معدن اتفاق می‌افتد. لذا پر شیب نگاه‌داشتن دیوارة معدن تا آنجا که ممکن است در کاهش نسبت باطله‌برداری که به نوبة خود با هزینة معدن­کاری رابطة تنگاتنگ دارد، بسیار حیاتی است. پس در این حالت طراحی محدودة نهایی فقط به توزیع عیار و هزینة تولید بستگی ندارد بلکه به مقاومت کلی توده‌سنگ و پایداری نیز وابسته است. در 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

  هر معدن باید پتانسیل ریزش، ارزیابی‌شده و آن را با طرح پیت نهایی هماهنگ ساخت.
برای یک معدن روباز چندین زاویۀ شیب وجود دارد. زاویة شیب دیوارة پله، زاویة دیوارة بین رمپی و زاویة دیوارة سرتاسری باید بر اساس ارزیابی پایداری در هر واحد به طور جداگانه تعیین شوند. به طور کلی ناپایداری‌های ایجادشده در پلۀ معادن روباز به نسبت معمول است و تأثیر چندانی در طرح پیت ندارد. پله‌های منفرد و دیواره‌های بین رمپی در یک معدن روباز می‌توانند همزمان پایدار باشند درحالی‌که ممکن است دیوارة سرتاسری پایدار نباشد ]2[.
روش‌های پیشنهادی برای بررسی پایداری شیروانی‌ها به دو گروه تقسیم می‌شوند:
الف- روش‌های مبتنی بر تعادل حدی.
ب- روش‌های مبتنی بر تحلیل عددی.
یکی از پرکاربردترین روش‌های تحلیل پایداری شیروانی‌ها روش تعادل حدی است. دلیل کاربرد وسیع این روش، سهولت فرضیات و سابقة ایجاد آن است. این روش برای اولین بار توسط کولمب در اواخر قرن هجدهم در مسائل مکانیک خاک به‌کار برده شد. در این روش با فرض یک سطح لغزش اختیاری، صلب بودن بخش گسیخته شده و استفاده از معیار گسیختگی موهر-کولمب، ضریب اطمینان به صورت مقایسة مقاومت برشی موجود با مقاومت برشی مورد نیاز برای تعادل تعریف می‌گردد. در این روش هرگاه ضریب اطمینان بزرگ‌تر از 1 باشد، توده‌سنگ پایدار و اگر کوچک‌تر از 1 باشد، ناپایدار است. در حالتی که ضریب اطمینان برابر 1 باشد، حالت بحرانی یا حدی (آغاز گسیختگی) خواهد بود.
باید توجه داشت که روش‌های مبتنی بر تعادل حدی هرچند به طور گسترده برای تحلیل مسائل پایداری شیب به کار می‌روند، اما چندین نقطه‌ضعف در این روش‌ها وجود دارد که مهم‌ترین آن، منظور نکردن رابطه تنش-کرنش مصالح در تحلیل‌ها است. همچنین به دلیل عدم رعایت قوانین مکانیک محیط‌های پیوسته، جایگاه پاسخ مسایل نسبت به جواب واقعی در این روش مشخص نیست [3]. از معایب دیگر این روش‌ها این است که این روش‌ها در نظر نمی‌گیرند که شیروانی آیا یک خاک‌ریز یا یک شیب طبیعی است یا یک شیروانی حفاری شده است و از اثرات نمو ساخت، تنش اولیه، رفتار تنش- کرنش و غیره صرف‌نظر می‌کنند و احتمالاً در این روش‌ها پایداری شیب به طور محتاطانه­ای پیش‌بینی می‌شود [4].
یکی از دیگر از روش‌های بررسی پایداری شیروانی‌ها، مدل­سازی عددی است. استفاده از مدل­سازی عددی، به دلیل مزایای زیادی که دارد روزبه‌روز گسترش بیش‌تری پیدا کرده است. مبنای روش‌های عددی، مدل­سازی معادلۀ حاکم بر رفتار پدیده و حل این معادله بر اساس داده‌های شرایط مرزی است. در نتیجه، دقت نتایج مدل­سازی به عواملی همچون درک مناسب معادله حاکم بر پدیده، انتخاب روش مدل­سازی متناسب با مشخصات معادله حاکم، دقت حل معادلات، دقت در تعریف شرایط مرزی و در نهایت میزان دقت و صحت شرایط مرزی بستگی دارد.
با پیشرفت رایانه‌های شخصی، روش‌های عددی به طور روزافزونی در تحلیل پایداری شیروانی‌ها استفاده می‌شود. مزایای روش‌های عددی مثل اجزای محدود، تفاضل محدود، اجزای مرزی و غیره برای تحلیل پایداری شیب نسبت به روش‌های متداول تعادل حدی به صورت زیر خلاصه می‌شود:

• در روش‌های عددی هیچ فرضی در مورد شکل یا محل سطح گسیختگی به کار نمی‌رود. گسیختگی به صورت طبیعی در آن قسمت از مصالح که مقاومت برشی قادر به تحمل تنش‌های برشی اعمال‌شده نیست، روی می‌دهد.

• در روش‌های عددی در مورد نیروهای بین باریکه‌ها و امتداد آن‌ها فرضی در نظر گرفته نمی‌شود، چرا که اصولاً در این روش، باریکه مفهومی ندارد. روش اجزای محدود تا زمانی که گسیختگی روی دهد، تعادل کلی را حفظ می‌کند [5].

• روش‌های عددی می‌توانند به شیب‌هایی با شکل پیچیده و نهشته‌های خاکی در دو یا سه بعد برای مدل کردن واقعی تمام انواع مکانیسم‌ها اعمال شود.

• در روش‌های عددی مدل‌های عمومی‌ مصالح، شامل مدل موهر-کولمب و تعداد بی‌شماری مدل‌های دیگر می‌توانند به کار روند.

• در این روش‌ها تنش‌های تعادل، کرنش‌ها و مقاومت‌های برشی مربوطه به صورت صحیح محاسبه می‌شوند.

• در روش‌های عددی مکانیسم گسیختگی می‌تواند به صورت نامحدودی آزاد و عمومی باشد؛ یعنی فرض محدود­کنندة یک سطح گسیختگی دایره‌ای یا لگاریتمی ‌در این جا ضرورت ندارد

     شیرهای کنترلی بصورت وسیعی در زمینه های مختلف صنعتی از جمله صنایع نفت و گاز، نیروگاهها، پتروشیمی و سیستم های انتقال آب استفاده می شوند. این شیرها دارای انواع مختلفی می باشند که از آن جمله می توان به شیرهای نوع کروی (Glob)، توپی (Ball)، پروانه ای (Butterfly) و پلاگی(Plug) اشاره کرد. هدف از مدلسازی سیالاتی شیر كنترلی، شبیه سازی رفتار جریان در داخل شیر با استفاده از نرم افزار CFX است تا به كمك نتایج آن بتوان یك پروفیل داخلی مناسب برای شیر كنترلی به گونه ای طراحی نمود كه از لرزش و ایجاد نویز و سروصدای بیش از حد در شیر جلوگیری کند. بعلاوه با استفاده از مدلسازی می توان از ایجاد افت فشار بیش از حد در شیر جلوگیری كرد و در واقع از آسیب احتمالی شیر كنترلی اعم از سایش و خوردگی پیشگیری نمود. به عبارت دیگر استفاده از مدلسازی سیالاتی كمك می كند كه به جای صرف هزینه و وقت زیاد برای انجام آزمایش های تجربی، رفتار سیال را در داخل شیر پیش بینی كرده و به بهینه سازی پارامترهای طراحی پرداخت.
1-2- بیان مسئله
    مطابق تعریف مندرج در استاندارد ابزار دقیق امریکا، شیر كنترل وسیله ای است که با اعمال نیرویی غیر از نیروی دست عمل می نماید و میزان جریان سیال را در یك سیستم كنترل فرایندی تنظیم می كند، شیر كنترل شامل یك شیر است و به یك مكانیزم محركه، که توانائی تغییر عنصر کنترل کننده سیال را دارد متصل می باشد. این تغییر بر مبنای سیگنالی است كه از سیستم كنترل دریافت می کند. لذا با توجه به سر و صدای زیاد و لرزش شدید در یكی از شیرهای كنترلی جریان گاز (FCV) منطقه پارسیان، ما را بر آن داشت كه با مدل كردن جریان درون شیر توسط نرم افزار CFX و شبیه سازی جریان درون آن بتوانیم تحلیل دقیق تری از نیروها و تنش های اعمالی در مورد قسمتهای مختلف شیر داشته باشیم تا بتوانیم علاوه بر بهینه سازی شرایط كاری، مساله نویز را نیز بررسی و در صورت امکان کاهش دهیم. که اولین قدم طراحی و مدلسازی شیر کنترلی و سپس شبیه سازی رفتار جریان درون شیر کنترلی و در نهایت بهینه سازی و ارائه راهکار می باشد. لذا با توجه به در دسترس بودن اطلاعات یک شیر کنترلی 3 اینچ از نوع کروی (Globe) با عملگر پنوماتیکی  و خاصیت خطی طبق استاندارد  ANSI 2500 به منظور کنترل دبی گاز چاه 10 آغار با طراحی و مدلسازی آن و سپس شبیه سازی جریان درون آن به بررسی پارامترهای مورد نظر پرداختیم.
1-3- اهداف:
    جهت کاهش لرزش و سروصدا در شیرهای کنترلی و کنترل نویز میتوان بر روی منبع یا روی مسیر و یا بر روی هر دوی آنها تغییراتی اعمال کرد. کنترل نویز در محل منبع، بهترین روش کنترل آن است البته به شرطی که از لحاظ فیزیکی و اقتصادی ممکن باشد. یکی از راههای متداول برای کنترل نویز در محل منبع ایجاد نویز، استفاده از تریمهای مخصوص است. این نوع تریم با داشتن شیارهای باریک و متعدد اغتشاش جریان را تا حد ممکن کاهش می دهد و توزیع مطلوب سرعت را فراهم می کند. که جهت رسیدن به این نتایج و بدست 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

  آوردن توزیع سرعت می بایستی جریان درون شیر کنترلی را به کمک یکی از نرم افزارها شبیه سازی کرد تا بتوانیم تحلیل دقیقتری از نیروها و تنش های اعمالی در مورد قسمتهای مختلف شیر داشته باشیم و سپس مساله نویز را نیز بررسی کرده و در صورت امکان کاهش دهیم. که جهت انجام کار اولین قدم طراحی و مدلسازی شیر کنترلی و سپس شبیه سازی رفتار جریان درون شیر کنترلی و در نهایت بهینه سازی و ارائه راهکار می باشد.
1-4- مدل مطالعه:
     شیر کنترلی مورد نظر جهت انجام شبیه سازی جریان درون آن یک شیر کنترلی 3 اینچ از نوع کروی (Globe) با عملگر پنوماتیکی  و خاصیت خطی طبق استاندارد  ANSI 2500به منظور کنترل دبی گاز چاه 10 آغار می باشد که در یک زمان خاص تحت فشار ورودی  Bar5/187 و فشار خروجی Bar 155 دمای ورودی 07/61 درصد باز بودن شیر کنترلی 29% و دبی خروجی از شیر    847/20 و سیال عامل گاز متان با 45/18   می باشد.
1-5- روش کار
روش پیاده شده در پایان نامه شامل دو قسمت اصلی طراحی و مدلسازی شیر کنترلی و شبیه سازی رفتار جریان درون شیر کنترلی با استفاده از دو نرم افزار Catia و Ansys CFX می باشد.
1-5-1- طراحی و مدلسازی شیر کنترلی
طراحی تجهیزات مکانیکی را میتوان به دو دسته اصلی طراحی مستقیم و طراحی به روش مهندسی معکوس دسته بندی نمود. در این پروژه، به دلیل در اختیار بودن نمونه شیر کنترلی، طراحی Cage از روش فرایند مهندسی معکوس و طراحی مسیر عبور جریان درون بدنه از روش طراحی مستقیم بهره گیری شده است. که با توجه به مستندات و استانداردهای مرتبط با شیرهای کنترلی، مقایسه و سپس Cage آن بصورت مستقیم با نرم افزار Catia طراحی و مسیر عبور جریان درون شیر پس از چندین مرحله سعی و خطا طراحی گردید. و سپس به محیط Design Modler نرم افزار Ansys CFX انتقال داده شد که از بین آنها نتایج چند مدل مهمتر درفصل 4 و 5 به تفصیل آورده شده است.
1-5-2- مدلسازی سیالاتی شیر کنترلی
برای تحلیل سیالاتی شیر کنترلی از نرم افزار Ansys CFX استفاده شده است و شکل کلی شیر که با نرم افزار Catia طراحی شده را پس از انتقال به محیط Ansys CFX و جداسازی مسیر عبور سیال در محیط Desigen Modler و همچنین در مواردی نیز بدلیل داشتن تقارن نسبت به محور YZ از حالت Symmetry استفاده شده و پس از انجام عملیات یکسان سازی وارد محیط Meshing می کنیم. و با توجه به اینکه نرم افزار Ansys CFX خود شامل چندین محیط می باشد و در هر محیط نیز باید کارهای مربوط به همان محیط را انجام داد بنابراین روش انجام کار در محیط های مختلف به شرح ذیل می باشد.
1-5-2-1- مدل المان محدود
مدل طراحی شده در Catia وارد محیط CFX  می شود و در آنجا قسمت داخلی شیر (در واقع حجم كنترل) جدا شده و سپس این حجم كنترل وارد محیط ایجاد شبكه محاسباتی (Meshing) می گردد. در این محیط اندازه اولیه المانهای حجمی جسم و همچنین عملیاتی مانند ریزكردن المانهای یك ناحیه خاص انجام می گیرد. بعلاوه در دیواره های نزدیك سطوح مرزی (با توجه به اینكه سرعت تغییرات در نواحی نزدیك سطوح مرزی بالاست) المان منظم تری ایجاد می گردد. و در چندین حالت مختلف جریان گذرنده از درون Cage و مسیر عبور جریان از درون بدنه را بررسی می کنیم.
1-5-2-2- شرایط مرزی
با توجه به فیزیك مساله، شرایط مرزی مناسب یكی از سه حالت، اعمال فشار در ورودی و دبی در خروجی، فشار در خروجی و ورودی (اختلاف فشار ورودی و خروجی) و اعمال دبی در ورودی و فشار در خروجی می باشد. از آنجایی كه شکل قفس از روش مهندسی معکوس بدست آمده و جهت بررسی نتایج نرم افزار و مقایسه با شرایط کارکرد واقعی، شرایط مرزی مطلوب، اعمال فشار در ورودی و خروجی می باشد تا دبی بدست آمده با دبی شرایط کارکرد، مقایسه گردد و سپس همان شرایط را برای شكل داخلی شیر که از فرآیند طراحی حاصل شده است، اعمال می کنیم و با توجه به افت فشار ایجاد شده، مقدار دبی را بدست می آوریم.
1-5-2-3- روشهای حل
در مورد شرایط مرزی ورودی و خروجی شیر، با توجه به گزینه های موجود در محیط CFX، در ورودی فشار كل و در خروجی فشار استاتیكی به شیر اعمال می گردد. این مقادیر بر اساس فشارهای دو طرف شیر كنترلی انتخاب شده است كه این مقدار اختلاف فشار در حالت كاركرد با توجه به دما و فشار گاز در ساعات مختلف مقادیر مختلفی است که برای بدست آوردن دبی و مقایسه کردن با آن در یک زمان خاص و تحت شرایط یکسان دما و فشار، دبی را مقایسه می کنیم. و سپس با توجه به شرایط کاری در هر مرحله پس از انجام عملیات با این شرایط مقایسه گردیده است.
همچنین با فرض ناچیز بودن تغییرات دمایی در شیر نوع فرآیند همدما (Isothermal) و دمای فرآیند 61 درجه سانتیگراد انتخاب شده است. جریان در داخل شیر، مغشوش در نظرگرفته شده و این جریان مغشوش با استفاده از معادلات مدلk-ε  بیان شده است.
همانطور که گفته شد Cage و مسیر عبور جریان در بدنه طراحی شده را در حالتهای مختلف بازشدگی، و هر کدام با چندین مرحله مش درشت و ریزتر بررسی گردید و سپس نتایج حاصله مقایسه گردید. همچنین برای بدست آوردن نمودار عملکرد شیر برای هر مدل شیر طراحی شده به ازای بازشدگی از 0 تا 100 درصد (به ازای بازه های 10 درصدی) می بایستی مقدار دبی توسط  CFX مشخص گردد. و در مقادیر مختلف بازشدگی، مقدار دبی بدست آمد و نمودار عملكرد شیر ترسیم گردید و با نمودار عملكرد شیر اصلی مقایسه گردید.