بخشی از مقاله
چکیده:
رژیم های جریان دو فازی معمولا تحت تاثیر موقعیت و شکل هندسی خط لوله، جهت جریان، خواص فیزیکی و شدت جریان هر یک از فازها و شار حرارتی وارد بر دیواره لوله قرار دارد. تاکنون رژیم های جریان مختلفی تعریف گردیده و دامنه گسترده ای از اسامی برای این منظور مورد استفاده قرار گرفته است. اولین گام برای بررسی تولید میکرو حباب در لوله ونتوری شناخت نوع رژیم های جریان در آن است. برای بررسی این مساله از رویکرد VOF، از نرم افزار OpenFOAM استفاده شده است. نتایج نشان می دهد که رژیم جریان در لوله ونتوری نیز تقریبا شبیه رژیم های جریان در لوله های افقی است و برای داشتن جریان حبابی جهت تولید میکرو حباب باید سرعت جریان فاز گاز خیلی کمتر از سرعت جریان فاز مایع باشد. همچنین مقطع ورودی هوا باید خیلی خیلی کوچکتر از از مقطع ورودی آب باشد.
کلمات کلیدی: جریان دوفازی، میکرو حباب، OpenFOAM، لوله ونتوری، VOF
مقدمه:
وقتی دو سیال متفاوت - مانند آب و هوا - با ویژگیهای فیزیکی مختلف به صورت هم زمان در یک مجرا جریان داشته باشند جریان دوفازی شکل می گیرد. اندرکنش بین دوفاز سبب می شود که الگوهای مختلفی از جریان به صورت تصادفی رخ می دهد.[1] الگوی جریان چگونگی توزیع هر فاز جریان در برابر فاز دیگر، در مجرای حرکت سیال است. مهمترین علامت مشخصه جریانهای دوفازی وجود فصل مشترک بین فازهای گاز و مایع است که اشکال مختلفی دارد. از دیدگاه نظری، امکان پیدایش دامنه نامحدودی از فصول مشترک مختلف بین دو فاز وجود دارد، اما عموما تاثیر کشش سطحی بین دو فاز منجر به پیدایش فصل مشترکهای منحنی شکل میشود و در پایان تمامی آن ها تبدیل به اشکال کروی - نظیر قطره ها و حباب ها - می شوند.[2]
هرچند جریانهای دو فازی نیز از کلیه قوانین حاکم بر مکانیک سیالات تبعیت می کنند، اما از آنجا که عوامل زیادی سبب نامعینی و پیچیدگی این نوع جریان ها در مقایسه با جریان های تک فازی می شوند، سیستم های جریان دوفازی به شدت پیچیده اند - حتی جریان دو فازی یک بعدی در مجاری - . برای غلبه بر این پیچیدگی ها، محققین رویکردهای مختلفی را در پیش گرفتهاند که از آن جمله میتوان به انجام آزمایش بر روی مدلها فیزیکی ساده که بتوان از آنها در تحلیل مسائل علمی و مهندسی استفاده کرده و به معادلات سادهتری دست یافت، اشاره کرد.[3]در حالت کلی با طبقه بندی انواع حالات توزیع فصل مشترک بین دو فاز گاز و مایع که اصطلاحا رژیم یا الگوی جریان نامیده می شوند، می توان به توضیح و تفسیر این نوع جریان ها پرداخت.
باید توجه داشت که این رژیم های جریان معمولا بوسیله موقعیت و شکل هندسی خط لوله و جهت جریان و خواص فیزیکی و شدت جریان هر یک از فازها و شار حرارتی وارد بر دیواره لوله تحت تاثیر قرار می گیرند.شایان ذکر است که علیرغم کوشش های بسیار زیادی که برای طبقه بندی انواع رژیم های جریان دو فازی به عمل آمده است، ولی اغلب این روش ها کیفی و منطبق بر نقطه نظرات شخصی محققین هستند. بطوریکه تاکنون رژیم های جریان مختلفی تعریف گردیده و دامنه گسترده ای از اسامی برای این منظور مورد استفاده قرار گرفته است. در ادامه تعاریفی از انواع رژیم های جریان بصورت خیلی خلاصه آورده شده است.[4]هفت نوع الگوی توزیع برای جریان های دوفازی در خطوط لوله افقی وجود دارد.
-1 جریان حبابی:Bubbly flow
در خطوط لوله افقی در مواردی که نرخ حجمی گاز نسبتا کم و نرخ حجمی مایع نسبتا زیاد باشد جریان حبابی، بصورت حباب های کوچک گاز تحت تاثیر اختلاف چگالی در قسمت فوقانی لوله، ظاهر می شود. با افزایش نرخ حجمی فاز گاز اندازه حباب ها بتدریج افزایش می یابد. سرعت ظاهری مایع در این نوع رژیم جریان بین 5 تا 15 فوت بر ثانیه و سرعت ظاهری گاز بین 1 تا 10 فوت بر ثانیه است.
-2 جریان توپی یا قالبی:
با افزایش سرعت فاز گاز در جریان حبابی تعداد حباب های فاز گاز افزایش می یابد. بطوریکه از برخورد و بهم پیوستن آن ها حباب های بزرگ و توپی شکل نزدیک به جداره بالایی لوله تشکیل خواهند شد. این نوع جریان جریان توپی یا قالبی نامیده می شود.
-3 جریان لایه ای:
در این نوع الگوی توزیع فازهای مایع و گاز کاملا از هم جدا هستند و فاز گاز که عموما دارای سرعت بیشتری نسبت به فاز مایع می باشد، در قسمت فوقانی و مایع در ناحیه پایین درون لوله حرکت می کنند. همچنین تداخل بین دو فاز بندرت صورت می گیرد و فصل مشترک بین آنها نسبتا منظم و صاف می باشد. در این حالت سرعت ظاهری فاز مایع کمتر از 5 و سرعت ظاهری فاز گاز بین 2 تا 10 فوت بر ثانیه است.
-4 جریان موجی:
در جریان لایه ای اگر سرعت گاز مجددا افزایش یابد، بین فازهای گاز و مایع تنش ایجاد میشود که خود باعث پیدایش امواج در فصل مشترک می شود که این امواج در امتداد جریان حرکت می کنند. سرعت ظاهری مایع در این حالت کمتر از 1 فوت بر ثانیه و سرعت ظاهری گاز حدود 15 فوت بر ثانیه می باشد.
-5 جریان لخته ای: slug flow
در خطوط لوله افقی و مواردی که نرخ جریان مایع زیاد باشد افزایش سرعت گاز منجر به افزایش دامنه موج های سطحی مایع در فصل مشترک گاز و مایع می شود که ضمن آن موج ها به جداره فوقانی لوله برخورد کرده و لخته های مایع تشکیل می شود. لخته های مایع در چنین حالتی می توانند باعث لرزش های شدید و در برخی موارد ایجاد خطر درون تجهیزات واقع در مسیر خطوط لوله و مراکز جمع آوری شوند. از ویژگی های این نوع رژیم جریان می توان از نوسانات منظم در تغییرات فشار و مقدار مایع تجمع یافته نام برد که معیار مناسبی برای تشخیص این نوع رژیم جریان می باشد.
-6 جریان حلقوی:Annular flow
در این نوع جریان دو فاز گاز و مایع بصورت دو استوانه متداخل درون لوله جاری خواهند شد. این نوع جریان وقتی شکل خواهد گرفت که سرعت ظاهری گاز بیشتر از 20 فوت بر ثانیه باشد. بررسی دقیق این نوع الگوی جریان به جهت تعیین میزان خوردگی سایشی و افزایش بازدهی خط انتقال پیش بینی مقدار مایع تجمع یافته و تعیین ضخامت فیلم مایع روی دیواره لوله و حاسبه افت فشار سیال جهت طراحی خطوط لوله انتقال و تجهیزات انتهایی آن از اهمیت خاصی برخوردار است.
-7 جریان قطره ای:
با افزایش نرخ جریان فاز گاز در جریان حلقوی، فاز گاز فاز مایع را بصورت قطرات ریزی انتقال خواهد داد. احتمالا چنین جریانی وقتی شکل می گیرد که سرعت ظاهری فاز گاز بیش از 20 فوت بر ثانیه باشد. در مواردی که نرخ جریان گاز نسبتا زیاد و نرخ جریان مایع نسبتا کم باشد فاز مایع در داخل فاز گاز بصورت ذرات بسیار ریز و پراکنده تبدیل شده و اصطلاحا فضایی شبیه مه بوجود می آید. در این حالت رژیم جریان را مه آلود می نامند. بعضی از خطوط انتقال سیستم گاز میعانی در مواقع خاصی در این الگوی جریان قرار دارند.
