بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر به دلیل مشکل کم آبی در نقاط مختلف جهان، طراحی و بهینهسازی ساختارهای تجمیعکننده قطرات مه با هدف تامین بخشی از آب مورد نیاز ساکنین نواحی کم بارش با وقوع پدیده مه زیاد، مورد توجه قرار گرفته است. قابلیت بالای ساختارهای لیفی در جمعآوری و جداسازی قطرات موجب به کارگیری این ساختارها در جمعآوری قطرات مه گردیده است.
در این تحقیق با بهرهگیری از روش شبیهسازی دینامیک سیالات محاسباتی، راندمان آب جمعآوری شده از قطرات مه توسط پارچه تاری پودی مونوفیلامنتی با بافت تافته بررسی شده است. بدین منظور هندسه سه بعدی پارچه به صورت مجازی تهیه و با تعیین میدان جریان هوا و مسیر حرکت هر یک از قطرات، راندمان آب جمعآوری شده توسط پارچه محاسبه شد.
-1 مقدمه
در بسیاری از کشورها تأمین آب مورد نیاز برای آشامیدن، کشاورزی و دامپروری، یک مشکل اساسی محسوب میشود. این در حالی است که بسیاری از گیاهان و جانوران ساکن نواحی کم آب، طی هزاران سال زندگی خود در این نواحی، توانستهاند به خوبی بر این مشکل غلبه کنند. این موجودات با استفاده از ساختارهای زیستی به کار رفته در خلقتشان، رطوبت موجود در هوا را به صورت مه و شبنم دریافت کرده و آب مورد نیاز خود را تامین میکنند
بررسی نحوه عملکرد این ساختارهای طبیعی، الهام بخش انسانها در رفع مشکل کم آبی در بسیاری از مناطق بوده است. از این میان، جمعآوری قطرات آب موجود در مه یک منبع در حال رشد و ارزان قیمت برای غلبه بر بحران کم آبی در مناطق کم بارش با وقوع پدیده مه زیاد است،که از زمانهای دور مورد استفاده قرار گرفته است
روشی که در صد سال اخیر برای جمعآوری قطرات مه به کارگرفته شده است، استفاده از پارچههای مونوفیلامنتی با فاکتور پوشانندگی اندک، به صورت تک لایه و دو لایه، است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، در این روش ساختار پارچهای مورد استفاده عمود بر راستای جریان باد حامل قطرات مه قرار داده میشود و قطرات به همراه جریان باد به سمت پارچه به حرکت در میآید.
برخی از قطرات با الیاف موجود در ساختار پارچه برخورد کرده و روی آن قرار میگیرد، درحالی که سایر قطرات از فضای باز ساختار عبور میکنند . افزایش تعداد قطرات برخورد کننده به سطح پارچه و قرارگیری پیوسته آنها بر سطح الیاف سبب میشود تا قطرات کوچک با یکدیگر ادغام شده و تشکیل قطرات بزرگتر را بر روی مونوفیلامنتهای پارچه دهند. پس از رسیدن حجم قطره به مقدار بحرانی، که در آن نیروی گرانش بر نیروی چسبندگی بین قطره و سطح مونوفیلامنت غلبه میکند، قطره به سمت مخزن جمعآوری آب سقوط کرده و در آن ذخیره میگردد. پارچههای متداول مورد استفاده در تجمیع قطرات مه معمولا از مونوفیلامنتهای پلیپروپیلن با سطح مقطع مستطیلی و با بافت راشل تهیه میشود. مقدار آب جمعآوری شده در این روش در مناطق مختلف متغیر بوده ولیکن به طور متوسط مقداری بین 3 تا 10 لیتر در متر مربع در روز دارد
شکل :1 پارچههای تجمیع کننده مه
توزیع اندازه قطرات مه، میزان محتوی آب مایع مه، سرعت وزش باد و خصوصیات ساختار پارچه مورد استفاده از مهمترین عوامل تاثیرگزار بر مقدار آب جمعآوری شده است .[13] از میان خصوصیات ساختاری پارچه تجمیعکننده، ظرافت، شکل سطح مقطع و جنس الیاف مورد استفاده و نیز فاکتور پوشانندگی پارچه بیشترین تاثیر را بر راندمان تجمیع مه دارد
اگرچه تنها عامل قابل کنترل در افزایش میزان آب به دست آمده از مه، ساختار پارچه مورد استفاده در تجمیع قطرات است، ولیکن سهم تحقیقات انجام شده در زمینه این ساختار بسیارها ناچیز است. این تحقیق با هدف بهینهسازی ساختارهای لیفی تجمیعکننده مه و بررسی قابلیت به کارگیری روش شبیهسازی دینامیک سیالات محاسباتی در تخمین میزان آب جمعآوری شده از پارچههای تجمیعکننده صورت گرفته است.
-2 تئوری
در دنیای کنونی به کارگیری روشهای شبیهسازی به ابزاری قدرتمند در طراحی تبدیل شده است. در این تحقیق میزان آب جمعآوری شده از مه با کمک روش شبیهسازی دینامیک سیالات محاسباتی، محاسبه شده است. بدین منظور هندسه سه بعدی مجازی از یک واحد ساختاری پارچه تافته، که در شکل 2 نشان داده شده است، تولید گردید و ناحیه محاسباتی که در این مسئله شامل هوای احاطه کننده یک واحد ساختاری از پارچه است، به دست آورده شد.
محاسبه راندمان دریافت قطرات توسط پارچه مستلزم محاسبه میدان جریان هوای حامل قطرات در ناحیه محاسباتی است. بنابراین با استفاده از نرم افزار ANSYS FLUENT 15 میدان جریان هوای حامل قطرات مه به روش اویلری و موقعیت هر یک از قطرات مه در هر لحظه به روش لاگرانژی محاسبه شد.
در این شبیهسازی فرض بر آن است که جریان هوای عبوری از پارچه به صورت لایهای، تراکمناپذیر، همدما و پایا است. در محاسبه میدان جریان هوای حامل قطرات به روش اویلری، معادلات پیوستگی و ناویر-استوکس در ناحیه محاسباتی به روش عددی حل گردید. روش عددی به کار گرفته شده در حل این معادلات توسط نرمافزار ANSYS FLUENT 15، روش عددی حجم محدود است. در محاسبه راندمان دریافت قطرات از روش ردیابی لاگرانژی، هر یک از قطرات موجود در ناحیه محاسباتی به صورت مجزا ردیابی میشود و برای به دست آوردن موقعیت هر یک از قطرات در هر لحظه، از رابطه تعادل نیروی وارد بر ذره انتگرال گرفته میشود.
برای استفاده از روش عددی در محاسبه میدان جریان سیال لازم است تا ناحیه محاسباتی به المانهای کوچک تقسیم گردد. اندازه این المانها بایستی به نحوی انتخاب شود که علاوه بر تامین دقت مناسب در محاسبه خصوصیات جریان، هزینه محاسباتی نیز کمترین مقدار خود را داشته باشد. بنابراین در حل این مسئله، المانهای ناحیه محاسباتی با نزدیک شدن به سطح مونوفیلامنتها کوچکتر گردید و بررسیهای استقلال از شبکه نیز با تغییر تعداد المانهای ناحیه محاسباتی انجام شد تا تعداد المان بهینه ناحیه محاسباتی دست آید. بررسیهای انجام شده نشان داد که، ناحیه محاسباتی مطرح در این مسئله که با تعداد حدود 291000 المان چهاروجهی - Tetrahedron - حالت بهینه را دارد. مشزنی در محیط نرمافزار ANSYS Meshing 15 انجام شد.
به منظور کاهش هزینههای محاسباتی، یک واحد ساختاری پارچه برای شبیهسازی در نظر گرفته شد و با تخصیص شرط مرزی تقارن در ناحیه محاسباتی، تکرار آن واحد ساختاری در محاسبات اعمال گردید. شکل 3 نشان دهنده شرایط مرزی در نظر گرفته شده در شبیهسازی است. فرض بر آن است که جریان هوای حامل قطرات مه به صورت عمود و با سرعت 2 متر در ثانیه وارد پارچه شود، فشار هوای خروجی از ناحیه محاسباتی برابر فشار جو است. همانطور که در شکل 3 نیز نشان داده شده است، برای ایجاد یکنواختی در جریان، شرط مرزی ورودی و خروجی در فاصله به اندازه کافی دور از پارچه در نظر گرفته شده است. در محاسبه جریان حول الیاف، شرط مرزی دیوار غیرلغزشی انتخاب شد.
شکل :2 هندسه سه بعدی یک واحد ساختاری پارچه تافته
شکل :3 ناحیه محاسباتی و شرایط مرزی حاکم بر آن
به طور کلی جداسازی ذرات از جریان گاز توسط پنج مکانیزم اصلی حایل شدن، برخورد در اثر اینرسی، انتشار براونی، سقوط آزاد و جاذبه الکترواستاتیک صورت میگیرد .[22] با توجه به اندازه 1 تا 40 میکرون قطرات مه و قطر مونوفیلامنت مورد استفاده در ساختار تجمیعکننده، مکانیزم برخورد در اثر اینرسی در جمعآوری قطرات نقش اصلی را دارد و از اثر سایر عوامل میتوان صرف نظر کرد. همچنین به دلیل قطر کوچک و غلظت اندک قطرات - بین 0/05 تا 0/2 گرم در متر مکعب - در محیط مه میتوان فرض کرد که در انتقال و محاسبه نیروی وارد بر قطرات در هوا "ارتباط یک طرفه" وجود دارد. بدین معنا که جریان هوا مسیر حرکت قطرات را تحت تاثیر قرار میدهد، و حرکت قطرات بر جریان هوا تاثیری ندارند و نیز قطرات با یکدیگر برخورد نمیکنند.
