بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق جهت دستیابی به مدلهای عددی با توانایی پیشبینی خصوصیات هیدرودینامیکی، آزمایشهای تجربی و شبیهسازی بر روی یک بستر سیال مخروطی پر شده توسط ذرات میکرونی TiO2 با توزیع اندازه گسترده انجام شده است. برای اندازهگیری اثر میزان پر شدگی بستر بر کسر حجمی جامد از تکنیک فیبر نوری استفاده شده است. به منظور مقایسه حساسیت مدلها، پروفایل تغییرات کسر حجمی جامد در دو راستای شعاعی و محوری توسط دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - مورد بررسی قرار گرفته است.
جهت مقایسه، از مدلهای متفاوتی از جمله مدلهای پسای سیاملال-اوبرین ، ارسطوپور و گیداسپا و همچنین دیدگاه اویلری-اویلری با مدلهای تنش اصطکاکی و سه نوع شرط مرزی مختلف شامل شرط بدون لغزش، لغزش جزئی و لغزش آزاد استفاده شده است. مقایسه نتایج شبیه سازی و نتایج آزمایشگاهی نشان داد که مدل گیداسپا با شرط مرزی لغزش جزئی بهترین همخوانی را با نتایج آزمایشگاهی دارد.
کلمات کلیدی: بستر سیال مخروطی، کسر حجمی جامد، ذرات TiO2 ، شبیهسازی
مقدمه
یک بستر سیال مخروطی، دستگاهی برای تماس گاز با ذرات جامد به صورت ترکیبی از بستر سیال معمولی و فوارهای است. وجه تسمیه این دستگاه متأثر از شکل هندسی آن و همچنین نسبت قطر دهانه ورودی به اندازه ذرات است . حسن این سیستم در توانایی آن در مخلوط کردن ذرات کوچک اما با توزیع اندازه گسترده است. به دلیل اثر هیدرودینامیک بر نحوه اختلاط ذرات، تحلیل هیدرودینامیکی این نوع از بسترها امری ضروری برای طراحی انواع مختلف بسترهای سیال مخروطی در ابعاد آزمایشگاهی و صنعتی است.
یکی از پارامترهای اساسی در تحلیل بسترهای سیال معمولی و فوارهای، کسر حجمی جامد است. چند روش مختلف برای اندازهگیری برخط این پارامتر وجود دارد که از جمله میتوان به عبور اشعه ایکس، جذب پرتو گاما، توموگرافی ظرفیت خازنی الکتریکی و کاربرد فیبر نوری اشاره کرد که دراین زمینه مورد اخیر از بقیه کارآمدتر بوده است.
در دو دهه اخیر نشان داده شده است که شبیهسازی عددی به طور بالقوه توانایی مهمی در تحلیل هیدرودینامیک بسترهای سیال و فوارهای داشته است. اگرچه میتوان گفت توجه کافی به تحلیل هیدرودینامیک بسترهای سیال مخروطی معطوف نشده است. از سوی دیگر دینامیک سیالات محاسباتی ابزاری کارآمد برای تحلیل دقیق و تهیه مدلهای کمی فرایند شناخته میشود که توسط آن میتوان به طور موثری به افزایش مقیاس و بهینه سازی اقدام نمود. این گفته به معنی بی نیازی از انجام آزمایش نیست. بلکه لازم است به منظور اعتبار سنجی و تأیید نتایج CFD آزمایشهای مناسب نیز انجام شود.
در حال حاضر مدل اویلری-اویلری چند فازی همراه با تئوری سینتیکی جریان دانهای مهمترین ابزار تحلیل جریان گاز-جامد در محیطهای متراکم است. محققان مختلف مدلهای مختلفی را در رژیمهای آرام و آشفته، به همراه مدل KTGF برای مدلسازی هیدرودینامیک جریان چند فازی گاز-جامد استفاده کردهاند. در بعضی موارد تطابق خوبی بین نتایج آزمایشگاهی و مدلهای جریان آرام ویسکوز و جریان آشفته k- به همراه KTGF مشاهده شده است، اگرچه موفقیت مدل اخیر در تحلیل برخورد ذره-ذره قابل توجهتر است. مدلهای تنش اصطکاکی میبایست در ترکیب با KTGFمورد استفاده قرار بگیرند تا بتوانند اثرات تنشهای بسیار بزرگتر ناشی از برخورد ذره-ذره را مدل نمایند.
چندین نوع شرایط مرزی دیواره برای سیستم معادلات پیوسته جریان گاز-ذرات پیشنهاد شدهاند. بنیاهیا و همکاران از شرایط مرزی لغزش آزاد در دیواره در شبیهسازی خود به همراه شرط مرزی نیمه تجربی جانسون و جکسون و جنکینز در مدل CFD استفاده کردهاند. آنها دو حد - اصطکاک کم و زیاد - را در فاز جامد برای تخمین برخورد ذرات جامد با دیواره مورد مطالعه قرار دادند. نتایج این محققان نشان داد که شرط مرزی اصطکاک زیاد میزان تولید انرژی در دیواره را بیش از حد منطقی پیشبینی میکند.
در مدلسازی بخش بالا برنده یک بستر سیال با چرخشی، از شرط مرزی جانسون و جکسون استفاده نمودند. آنها گزارش کردند که انتخاب نوع شرط مرزی - بدون لغزش تا لغزش آزاد - بر پیشبینی رفتار ذرات در نزدیکی دیواره واحد FCC اثر میگذارد. هدف اصلی این تحقیق توسعه یک مدل CFD برای تشریح نحوه تغییرات درصد حجمی فاز جامددر راستاهای شعاعی و محوری در یک بستر سیال مخروطی است. مدلهای مختلفی برای محاسبه نیروی پسا استفاده شدهاند تا مناسبترین ضریب تبادل بین فازی گاز جامد بدست آید.
با در نظر گرفتن شرایط مختلف لغزش برروی دیواره، رفتار ذرات در نزدیکی دیواره به دقت مطالعه شده است. عملکرد مدل دو فازی اویلری اویلری با KTGF و سه نوع شرط مرزی مختلف با مقایسه با نتایج آزمایشگاهی در چهار میزان از پر شدگی بستر متناظر با ارتفاع استاتیک بستر 0,012، 0,024، 0,05 و 0,06 متر مورد بررسی قرار گرفته است.
مواد و تجهیزات انجام آزمایش
آزمایشها در یک بستر سیال مخروطی در مقیاس آزمایشگاهی و از جنس پلکسی گلاس انجام گرفت. تمرکز این تحقیق بر سیال سازی ذرات دی اکسید تیتانیوم آناتاز خشک پودری با توزیع اندازه ذرات بین 90 تا 600 میکرومتر متعلق به مرز A/C در دستهبندی گلدارت میباشد. در شکل -1ب تصویر SEM ذرات TiO2 مورد استفاده، نشان داده شده است. از این شکل مشخص است که ذرات در حقیقت غیر کروی و ضریب شکلی آنها 0,78 میباشد. خواص فیزیکی این ذرات در جدول 1 ارائه شده است.
گاز حامل هوا بوده و سرعت ظاهری آن با توجه به سطح مقطع بستر در پایه مخروط از صفر تا 1,4 m/s متغیر بوده است که برای همه ارتفاعهای بستر مورد مطالعه اعمال شده است. یک حسگر فیبر نوری برای اندازه گیری درصد حجمی موضعی فاز جامد و یک مانومتر برای اندازهگیری افت فشار بستر در سرعتهای مختلف گاز ورودی - از 0 تا 1,4 متر بر ثانیه - مورد استفاده قرار گرفت.
شبیهسازی
مدل اویلری اویلری - مدل دو سیالی - همراه با روابط تلفیقی حاصل از تئوری جنبشی جریان دانهای برای شبیهسازی رفتار هیدرودینامیکی بستر سیال مخروطی بوسیله نرم افزار فلوئنت 6,3 مورد استفاده قرار گرفت. جهت گسسته سازی معادلات مومنتوم از الگوی مرتبه اول بالا دستی و برای گسسته سازی فرمول بندی زمانی نیز از روش ضمنی استفاده گردید. همچنین روش حجم محدود برای حل همزمان معادلات مومنتوم و مدل آشفتگی k- در یک هندسه متقارن دو بعدی بکار گرفته شد.
با توجه به اینکه معادلات فازهای گاز و جامد بصورت جداگانه حل میشوند، کوپلینگ فشار-سرعت با استفاده از الگوریم سیمپلک2 انجام شد. شرایط مرزی استفاده شده در شبیهسازیها بصورت زیر است الف در ورودی بستر، شرط مرزی دیریکله برای فاز گاز، جهت تعیین سرعت یکنواخت و خطی انتخاب شده و سرعت جامد ورودی نیز صفر در نظر گرفته شده است. ب در خروجی بستر تغییرات سرعت فاز گاز و جامد صفر بوده لذا فشار برابر فشار اتمسفری در نظر گرفته شده است. ج در مرکز بستر، شرط مرزی متقارن اعمال شده است. د، در دیواره بستر، شرط مرزی بدون لغزش برای فاز گاز و سه شرط مرزی بدون لغزش، لغزش جزئی و لغزش آزاد برای فاز جامد در نظر گرفته شده است.
این تعداد مش به نحوی تعیین شده تا شبیهسازی شرایط نزدیک دیواره بدقت انجام شود و از سوی دیگر نتایج شبیهسازی متأثر از تعداد مشها نباشد. گام زمانی در مطالعات غیرپایا از 5×10-5 تا 1×10-3 ثانیه بر حسب همگرایی حل متغیر بوده است. شرایط مرزی نشان دهنده فلاکس انرژی وارد شده به محیط دانهای در دیوارهها هستند. از آنجاییکه انرژی دانهای در دیواره تولید میشود، دمای دانهای افزایش یافته و بنابراین ذرات جامد به سمت فضای داخل رانده میشوند که در نتیجه نقطه مینیمم در پروفایل دمای دانهای نه در دیواره بلکه در محلی نزدیک به دیواره واقع میشود .
