پایان نامه با کلید واژگان الگوریتم ژنتیک، مدلسازی، نفت و گاز

نشان داده شده است.
شکل(5-18). ساختار الگوریتم ژنتیک
یکی از مزایای روش ژنتیک الگوریتم این است که فقط با مقدار تابع سر و کار دارد لذا برای انتخاب تابع نیازی به دانستن معادلهی دقیق آن نداریم و فقط اگر روشی بیابیم که به وسیلهی وارد کردن متغیرهای مسئله مقدار عددی تابع را بتوانیم پیدا کنیم کفایت میکند. بر خلاف دیگر روشهای بهینه سازی که نیاز است دقیقأ معادله تابع هدف را داشته باشیم. مثلأ اگر بتوانیم به وسیله روشی از روشهای ترسیمی در مورد مسئلهای خاص به ازای متغیرهای مختلف مقدار تابع را پیدا کنیم، اصلأ نیازی به دانستن رابطه بین متغیرها و تابع نیست، روش ژنتیک با دقت بسیار خوبی مقدار بهینه را برای ما مییابد. یا اینکه اگر نرم افزاری برای تحلیل یک مسئله مهندسی وجود دارد که متغیرها را از ما میگیرد و جواب را به ما میدهد میتوانیم بدون دانستن اتفاقاتی که در طی آن به جواب میرسیم، فقط با دانستن مقدار آن به ازای متغیرهای ورودی مقدار بهینه تابع را به وسیله الگوریتم ژنتیک بدست آوریم. و این مزیتی است که در کمتر روش بهینه سازی با آن برخورد میکنیم.
جمعیت اولیه با تولید جوابهای تصادفی113 که شرطهای پارامترهای مرتبط در آن رعایت شده باشد تولید میشود. تابعی که برای تولید جواب تصادفی استفاده میشود، در سایر بخشهای الگوریتم از جمله در تابع جهش هم استفاده میشود. برای تولید جواب تصادفی که شرطها در آن رعایت شده باشد، یک راه این است که ابتدا جواب تصادفی تولید شود و سپس شرطها بررسی شوند و در صورت تأیید نشدن جواب دور انداخته شود. یک راه دیگر این است که ابتدا جواب تصادفی تولید شود سپس مقادیر پارامترهای مرتبط با هم، اصلاح شوند. راه دیگر نیز این است که ابتدا همه ترکیبهای مختلف از پارامترهای مرتبط با هم تولید شوند، سپس در تولید هر جواب تصادفی یکی از این مقادیر از پیش تولید شده انتخاب شوند.
5-6-2- روش تفاضل تکاملی (DE)114
روش تفاضل تکاملی به عنوان یک روش اکتشافی جدید برای یافتن نقطه مینیمم توابع غیرخطی و مشتق‌ناپذیر در فضای پیوسته مطرح می‌شود. این روش به مراتب نسبت به روش‌های دیگر جستجوی نقطه بهینه مطلق، سریع‌تر و مطمئن‌تر بوده، تنها به تعداد کمی متغیر کنترلی نیازمند می‌باشد؛ روشی قوی است که استفاده از آن آسان بوده و به سادگی برای محاسبات همزمان (موازی) و متمرکز قابل استفاده می‌باشد.
5-6-3- جزئیات پیاده سازی الگوریتم ژنتیک برای مدلسازی
برای مدلسازی در این پروژه از چهار متغیر (پارامتر) استفاده شده است. این چهار پارامتر عبارتند از: اندازهی ذرات شن، سختی کوپنها، سرعت جریان و غلظت ذرات شن. تابع اصلی نیز مقدار سایش بر حسب گرم در سال میباشد. با توجه به روابطی که قبلأ توسط محققین مختلف برای سایش ارائه شده است، رابطهای که این تابع را به متغیرهای وابسته مرتبط میسازد به صورت زیر انتخاب شده است:
ER=K. (Size)^B.(〖HB)〗^C.V^D.(PC)^E (5-1)
ضریب K یک ترم مربوط به سایر خصوصیات سیال و شرایط عملیاتی میباشد. تابع هدف به صورت میانگین خطای مدل پیشبینی شده از دادههای آزمایشگاهی به صورت زیر تعریف شده است.
MARE=  1/N ∑_(i=1)^N▒|〖ER〗_cal i- 〖ER〗_exp⁡i |/〖ER〗_exp⁡i (5-2)
در رابطه بالا N تعداد نقاط دادههای آزمایشگاهی وER_cal  مقدار تابع بدست آمده توسط مدل و ER_exp مقدار بدست آمده از آزمایش میباشد. MARE نیز متوسط مقدار قدرمطلق خطا میباشد. هدف الگوریتم ژنتیک ارائه شده، مقداردهی پنج پارامتر نام برده میباشد به طوری که مقدار خطای محاسبه شده طبق رابطه بالا، کمینه شود.
سادهترین طراحی کروموزوم برای این مسئله میتواند یک آرایه 5 تایی باشد که هر عضو آن نمایانگر یکی از پارامترهای مسئله است. جمعیت115 اولیه برای این پیاده سازی شامل 50 کروموزوم میباشد که به طور تصادفی116 مقداردهی میشوند. مقدار تصادفی که برای هر پارامتر تولید میشود باید در محدودهی تعیین شدهای قرار بگیرد. محدودههای تعیین شده برای 5 تا از پارامترها طبق کارهای قبلی عددی بین 100- تا 100+ درنظر گرفته شده است.
الگوریتم ژنتیک ارائه شده، مسئله را با جمعیت اولیه 50 و طی 10000 گردش117 حل میکند. تابع انتخاب118 پیاده سازی شده در این کار، در هر گردش یک جمعیت 50 تایی جدید تولید میکند. بدین ترتیب که ابتدا 20 کروموزوم با کمترین مقدار MARE را از بین کروموزومهای جمعیت قبلی انتخاب میکند، سپس با اعمال عملگرهای برش119 و جهش120 روی این 20 کروموزوم، 20 کروموزم فرزند تولید میکند؛ همچنین 10 کروموزوم هم به طور تصادفی از بین کروموزومهای انتخاب نشده از جمعیت قبلی انتخاب میکند. لازم به ذکر است که 10 کروموزوم فرزند به کمک عملگر برش و 10 کروموزوم فرزند دیگر به کمک عملگر جهش تولید میشوند.
5-6-4- نتایج مدلسازی
در این پروژه شش محل استراتژیک در خطوط لوله مورد مطالعه قرار گرفت. دو عدد زانویی با جهات جریان مختلف، دو حالت برای لوله عمودی با جهات جریان متفاوت، و دو حالت برای جریان افقی با مکان مختلف. در اینجا برای سه حالت مدل سازی انجام شده است.
1- لولهی عمودی
2- زانویی
3- لولهی افقی قسمت تحتانی
جهت مدل کردن هر سه مورد، از معادله ثابت (5-1) استفاده شده است با این تفاوت که ضرایب معادله برای هر سه موقعیت، متفاوت خواهد بود. برای مدلسازی از بین جریان عمودی و زانوییها دو محلی که بیشترین سایش رخ میدهد مد نظر قرار گرفته است.
1- لولهی عمودی:
〖ER〗_vertical=K. 〖(Size)〗^B.〖HB〗^C.V^D.〖(PC)〗^E
{█(k=0.904@B=0.815@C=-1.455@D=2.507@E=0.814)┤
2- زانویی
〖ER〗_ellbow=K. 〖(Size)〗^B.〖HB〗^C.V^D.〖(PC)〗^E
{█(k=0.293@B=0.727@C=-0.745@D=2.089@E=0.737)┤
3- لولهی افقی
〖ER〗_ellbow=K. 〖(Size)〗^B.〖HB〗^C.V^D.〖(PC)〗^E
{█(k=10.843@B=0.572@C=-1.497@D=2.364@E=0.89)┤
همانطور که انتظار میرفت دقت مدل مربوط به زانویی از بقیه بالاتر است. در طول انجام آزمایشات نیز پی بردن به این نکته کاملأ مشهود به نظر میرسید. خطای مربوط به مدل لولهی افقی بیشتر از دو مدل دیگر گشته است. به نظر میرسد علت این امر مربوط به خطای آزمایشات باشد. زیرا تنظیم محل دقیق قرار گرفتن کوپن در لولهی افقی و حتی عمودی در طول انجام آزمایشات با سختی و خطا انجام گرفته است. اما محل نصب کوپن در دو زانویی در طول آزمایشات ثابت بوده و در هر تست شرایط کاملأ مشابهی با تست قبلی برقرار بوده است. در صورتی که این نکته در مورد کوپنهای افقی و عمودی با کمی خطا همراه بوده است. یعنی محل نصب کوپن در لولهی افقی و عمودی در هر تست تفاوت ناچیزی با تست دیگر داشته و همین امر باعث شده تا دادههای بدست آمده مربوط به این مکانها با مقداری خطا همراه باشد. مدل مربوط به زانویی، به مدل فیزیکی ارائه شده تشابه بسیار زیادی دارد و این نشان دهندهی دقت بالای مدل انتخاب شده میباشد. در مدلهای ارائه شده توسط محققین مختلف، توان سرعت در معادله سایش، 2 میباشد. ملاحظه میشود که در مدل زانویی این نکته تحقق یافته است. حتی در دو مدل دیگر نیز توان سرعت در معادله سایش عددی نزدیک به 2 است. با استفاده از این مدل میتوان به راحتی در سیستمهایی که شرایط عملیاتی تقریبأ مشابهی با سیستم آزمایشگاهی دارند، مقدار سایش را محاسبه نمود. همچنین با استفاده از این معادله میتوان برای متغیرهای سیستم یک بهینه سازی انجام داد تا مقدار سایش به حداقل ممکن برسد.
فصل ششم
نتیجه گیری و پیشنهادات
نتیجه گیری و پیشنهادات
6-1- نتیجه گیری
در این تحقیق، با یک شیوهی نوینی از قرار دادن کوپن، بررسی پدیدهی سایش در خطوط لوله پرداخته شد. پارامترهای مؤثر بر این پدیده مانند سرعت سیال، اندازهی ذرات، غلظت ذرات و سختی و دانسیتهی کوپنها مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت.
تأثیر سرعت: نتیجهی بدست آمده در این پروژه حاکی از آن است که با افزایش سرعت سیال، نرخ سایش افزایش خواهد یافت. سرعت، مهمترین فاکتور از بین سایر متغیرهای دیگر محسوب میشود. طبق رابطهی فیزیکی ارائه شده توسط آقای بورگین، سایش متناسب خواهد بود با مقدار انرژی جنبشی منتقل شده از طرف ذرات شن به فلز هدف. انرژی جنبشی نیز از ترم سرعت به توان 2 میباشد. این نتیجه با دقت بسیار بالایی هم در دادههای آزمایش و هم در مدلهای ارائه شده دیده میشود.
تأثیر اندازهی ذرات: با افزایش اندازهی ذرات، سایش بیشتر خواهد شد. در سایزهای کمتر از360 میکرون شیب تغیییرات زیادتر از اندازههای بزرگتر از 360 میکرون است. این بدان معنی است که هرچه اندازهی ذرات بزرگتر شود، اثر نیروی وزن آنها نیز بیشتر شده و در اندازهی مشخصی، شیب نمودار نزولی خواهد شد. اثر وزن ذرات در لوله افقی خیلی چشمگیر است. تفاوت زیادی در مقدار سایش قسمت تحتانی و فوقانی لولهی افقی وجود دارد. برای سیال حامل که در اینجا آب میباشد پیش بینی میشود در اندازههای بزرگتر از 600 – 700 میکرون به ازای افزایش اندازه، سایش کاهش یابد.
تأثیر غلظت ذرات: غلظت ذرات نیز هرچه بیشتر باشد، سایش طبق یک رابطهی تقریبأ خطی بیشتر خواهد شد. در مدل بدست آمده نیز مشاهده میشود که توان غلظت در معادلهی سایش نزدیک به یک است. در غلظتهای خیلی بالا که جای حلال و حل شونده جابهجا میشود، افزایش غلظت ذرات تأثیر معکوسی خواهد داشت. اما در صنایع نفت و گاز، رنج غلظت ذرات همراه با مواد هیدروکربنی از 1-2 درصد وزنی تجاوز نمیکند.
تأثیر سختی و دانسیته کوپنها: سختی فلز با مقدار سایش یک رابطهی معکوس دارد. هرچقدر سختی بیشتر باشد سایش کمتر خواهد بود. اما دانسیته یک ترم بسیار مهمی است که کمتر مورد توجه قرار گرفته است. هرچه فلز متراکمتر باشد حجم کمتری در سایش از دست خواهد داد. و این نکتهی بسیار مهمی است. زیرا حد مجاز سایش معمولأ به صورت واحد طول بیان میشود. اگر عمق سایش ایجاد شده مد نظر قرار گیرد اثر دانسیته ملموستر خواهد بود.
از میان شش مکان بررسی شده در این پروژه، بیشترین سایش مربوط به زانوییهاست. زاویهی برخورد نیز از اهمیت خاصی برخوردار است. در لولههای عمودی جریان همجهت با نیروی جاذبه سایش کمی بیشتر از جریان عکس جهت نیروی جاذبه است. در لولههای افقی نیز به علت نیروی وزن، سایش در کف لوله خیلی بیشتر از بالای لوله است.
در برخی از استانداردهای بین المللی موجود، یک سرعت بحرانی برای جلوگیری از سایش تعریف شده است. همانطور که در متن به آن اشاره شد، با انتخاب یک ماده با سختی و دانسیتهی مناسب و به کار بردن آن فقط در قسمتهایی که سایش بیشتر از بقیه مکانهاست، میتوان بالاتر از آن سرعت نیز سایش مجازی را در سیستم داشت.
6-2- پیشنهادات
این کار یکی از جدیدترین و واضحترین تحقیقات انجام گرفته در زمینهی سایش مایعات است. نکات مهم دیگری در این پروژه مد نظر قرار نگرفته است. پیشنهاد میشود تا با در نظر گرفتن پارامترهای دیگری نظیر دانسیته، ویسکوزیته و جنس سیال، مدل ارائه شده اصلاح گردد. پیشنهادات به صورت زیر بیان میگردد:
1- جایگزینی نفت و یا ترکیبات نفتی مایع به جای آب
2- بررسی تأثیر دانسیته و ویسکوزیتهی سیال بر سایش
3- بررسی مواد پلاستیکی و پلیمری مانند پیویسی به عنوان ماده هدف
4- بررسی اثر اسیدی بودن سیال
5- از همه مهمتر؛ شبیه سازی فرایند سایش سیالات دو فازی
منابع
[1] G. P. Tilly, Sand erosion of metals and plastics: a brief review, National Gas Turbine Eestablishment, Pyestock, Farnbrough, Hants,

مطلب مرتبط :   منبع پایان نامه دربارهof، the، and

دیدگاهتان را بنویسید