بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله ردیابی ذرات ریز جامد - رسوب - درون جریان سیال - آب - در شرایط مرزی جریان آرام و مغشوش مورد بررسی قرار گرفته است. معادلات حاکم بر جریان سیال در کانالی سه بعدی با مقطع مستطیل توسط نرم افزار Fluent حل گردیده است و مشخصات و پارامترهای مختلف ذرات رسوب نیز در نتیجه این حل محاسبه شده است. به منظور محاسبات حرکت ذرات رسوب از معادلات ماکسی و ریلی استفاده شده است. جریانهای مختلفی که در این تحلیل ها استفاده میشود به سه نوع جریان پایدار، مواج و پالسی تقسیم بندی میشود.در این تحقیق، 4096 ذره رسوب در لبه بالائی مایع ویسکوز - چگال - رها شده است. اندازه و قطر ذرات رسوب، متفاوت بوده و از ریزترین سایز که مربوط به ذرات لجن می باشد تا بزرگترین سایز که مربوط به ذرات شن میباشد متغیر میباشند. در ادامه نرخ ته نشینی ذرات، نرخ تعلیق ذرات به نسبت ذرات رها شده و سرعت ذرات در جهات مختلف نسبت به زمان بررسی شده است .
کلمات کلیدی: جریان پایدار، جریان مواج، جریان پالسی، مایع ویسکوز - چگال - ، نرم افزار Fluent
-1 مقدمه
تحقیقات نشان داده است که اثر چسبندگی دیواره ها باعث بلند شدن و دور شدن ذرات از دیواره ها میشود. رسوبات معلق تشکیل شده و حرکت آنها جزء پدیده های ناشناخته میباشد. در حقیقت رسوبات معلق نقش مهمی در انتقال و جابجائی کلی رسوب دارند.[1]در مناطق ساحلی این موضوع با بوجود آمدن جریانهای غیر ساکن بدنبال امواج، پیچیده تر میشود. به طور کلی امواج کنار ساحل باعث حرکت رسوبات معلق می شود، حال آنکه جریانها، رسوبات را حرکت داده و آنها را دور می کنند. بنابراین برای بررسی حرکات مختلف رسوب در آب، یک جریان نوسانی آشفته لازم میباشد.در جریانهای با چگالی کم، حضور ذرات رسوب خواص جریان را زیاد تغییر نمی دهد و فاز سیال بطور جداگانه از فاز رسوب میتواند مدل شود.
-2 معادلات مربوط به حرکت سیال و رسوب
برای محاسبات عددی جریان های آشفته اغلب از معادلات ناویر استوکس استفاده میشود. در حل این معادلات فرض بر این است که تمرکز - غلظت - رسوب در هر زمانی کم بوده بطوری که تاثیری بر روی دینامیک جریان نمی گذارد و بدین ترتیب معادلات مربوط به حرکت را سیال بطور جداگانه از ذرات میتوان نوشت و در نتیجه آنها را حل نمود.
معادلات ناویر استوکس مربوط به حرکت سیال:
در معادلات فوق از جهت های اصلی استاندارد - - x,y, z یا 3 - و2و - 1 و همچنین سرعت های مربوطه - - u,v,w یا - u1 , u2 , u3 - استفاده شده است. محدوده محاسباتی کانالی با مقطع مستطیلی شکل با ارتفاع 2H=0.2 m و طولLx = 0. 6 m و عرض Ly = 0.2 m میباشد.در شکل - 1 - این کانال نشان داده شده است .گرادیان فشار خارجی وارد شده بر سیال در شرایط پایدار و مواج بصورت زیر وارد میشود:
فشارکلی P - x,y,z - عبارتند از مجموع فشارهای Pf - x,t - و فشارهای مکانیکی . P - x,y,z,t - برای حل این معادلات بروش های عددی باید شرایط مرزی مناسب جهت حل آنها اعمال نمود .[3]
معادلات مربوط به حرکت ذرات رسوب :برای بیان حرکت مربوط به ذرات رسوب از معادلات وایبرگ-اسمیت1 استفاده شده است .این معادلات بالانسی از نیروهای شناوری، گرادیان فشار، جرم افزوده، نیروهای لیفت و دراگ میباشد که بصورت زیر نشان داده شده است:[3]
همچنین مشتق زمانی D/Dt را میتوان بصورت مشتقات جزئی زیر نوشت : - 6 -
هنگامیکه عدد رینولدز ذره کمتر از یک باشد، نیروی دراگ وارد بر ذره رسوب بصورت زیر تعریف میگردد :
-3 پارامترهای مربوط به ذرات پیوسته و مجزا
در این قسمت سه نوع رژیم برای سیال - آب - در نظر گرفته شده است. درمعادله - 5 - مقادیر و در این رژیم ها بصورت زیر تغییر میکند:[4]
• جریان پایدار: که مقادیر0 و مقدار. =0
• جریان خالص نوسانی - مواج - : که مقادیر=0 و مقدار0 .
• جریان پالسی : که مقادیر0 و مقدار0 .
در حالت جریان پایدار=10 -3 m/s2 و همچنین سرعت اصطکاک Ut =10 -2 m/sec می باشد. و عدد رینولدز بر اساس سرعت اصطکاک در ارتفاع کانال برابر مقدار زیر میباشد.برای مش بندی فضای مورد مطالعه 98 نقطه در جهت عمودی و 130 نقطه در جهت افقی در نظر گرفته میشود.در جریان خالص نوسانی - مواج - مقدار =0.3142 وT=8 sec در نظرگرفته میشود.سرعت سیال در بیرون از لایه مرزی که برای آبهای کم عمق صادق میباشد.برای جریان خالص نوسانی روی یک سطح صاف عدد رینولدز طبق فرمول زیر به پارامترهای مختلف بستگی دارد:که در این حالت مقدار عدد رینولدز به ضخامت لایه مرزی و سرعت جریان آزاد بستگی دارد. - 10 - مقدار عدد رینولدز برابر با640 خواهد بود. شرایط جریانها در جدول - 1 - آمده است.
در این تحلیل ها از سه نوع ذره رسوب استفاده شده که قطر این ذرات مابین 0,02 تا 0,05 متغیر میباشد. درجدول شماره - 2 - قطر ذرات رسوب مورد استفاده در این تحلیل ها نشان داده شده است.برای تحلیل و تعیین شرایط مرزی مربوط به سیال موارد و شرایط جریانهای فوق از مقدار=0 شروع میکنیم که مربوط به جریان پایدار میباشد.در این شرایط بطور آماری شرایط و خواص سیال بر اساس شرایط استاندارد مقایسه کرده و به دادههای درست دست خواهیم یافت .
