بخشی از مقاله
چکیده
مدلسازی جریان دو فازی یکی از چالشهای بزرگ در علوم حرارتی میباشد. امروزه با روند کوچکسازی در بسیاری از دستگاههای مانند میکرو راکتور، میکسر و مبدل های حرارتی، توزیع فاز در کانالها نیز اهمیت بیشتری پیدا کرده است. در این مقاله به کمک نرمافزار انسیس فلونت، با استفاده از مدل حجم سیال - VOF - الگوهای جریان دوفاز در کانال مستقیم مورد مطالعه قرار گرفت.
شبیهسازیها در کانالی افقی با قطر 1/1 میلیمتر و طول 100 میلیمتر انجام شد. انواع رژیم جریان دو فازی آب و هوا - از جمله جریان حبابی، اسلاگ، حلقوی، اسلاگBحلقوی - بهمنظور اعتبار سنجی شبیهسازی شده است. مقایسه نتایج بدست آمده از شبیهسازی با نتایج آزمایشگاهی نشان دهنده دقت مناسب نتایج بدست آمده بوده و نشان داد که روش شبیهسازی عددی میتواند رژیمهای جریان دو فازی را در کانال بهخوبی پیشبینی کند.
-1مقدمه
جریان دو فازی در میکرو کانالها توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است زیرا کاربرد وسیع آن در علم فنّاوری مدرن مانند دستگاههای میکرو الکترومکانیکی - MEMS - ، خنکسازی الکترونیکی، مهندسی فرآیند شیمیایی، مهندسی ژنتیک، مهندسی زیستی و غیره دارد. ریباستکی و همکاران - Ribatski et al., 2006 - ، قیاسیان و خلیک - Ghiaasiaan et al., 2001 - و سریزاوا و فنگ - Serizawa et al., 2002 - مقالاتی فراوانی را در مورد جریان دو فازی و انتقال حرارت در میکرو کانالها بررسی کردند. موضوعات مرتبط با الگوی جریان، کسری حجمی، افت فشار، ضخامت فیلم مایع و ویژگیهای انتقال گرما مورد توجه آنها قرار گرفتند.
افت فشار و کسری حجمی یکی از مهمترین ویژگیهای هیدرودینامیکی جریان دو فازی هستند. افت فشار دو فازی در میکرو کانالها یک عنصر ضروری برای طراحی دستگاههای انرژی و الکترونیکی است و موضوع مطالعات تجربی متعددی بوده و تعداد زیادی از روشهای پیشبینی تجربی و نیمهتحلیلی است. لی و لی - H. J. Lee et al., 2001 - ، لی و میدوار - J. Lee et al., 2005 - آزمایشهای مشابهی را برای اندازهگیری افت فشار جریان دو فازی در یک میکرو کانال مستطیلی - Dh =0/784mm - با هوا-آب و مبرد R-134a انجام دادند.
آنها با استفاده از روابط لاکارت-مارتینلی - Lockhart et al., 1949 - ، با پارامترهای جدید بر اساس دادههای تجربی خودشان ضرایب اصطکاکی دو فازی را بیان کردند. تریپلت و همکاران - K. Triplett et al., 1999; K. A. Triplett et al., 1999 - ، افت فشار جریان آدیاباتیک دو فازی هوا-آب در میکرو کانالهای دایرهای 1/45mm - ، - d =1/1 و مثلثی 1/49mm - ، =1/09 - Dh را مورد مطالعات آزمایشگاهی قرار دادند. مدل تعادل همگن، پیشبینیهای خوبی برای رژیمهای جریان حبابی و اسلاگ نشان داد اما برای رژیم جریان حلقوی مناسب نبود.
ژانگ و وب - Zhang et al ., 2001 - افت فشار جریان دو فازی آدیاباتیک را برای سه مبرد R-134a، R-22، R-134a در کانالهای موازی دایرهای - d =2/13mm - اندازهگیری کردند و یک رابطه افت فشار جدید را بر اساس مدل جداسازی جریان هم پیشنهاد کردند. اندازهگیریهای افت فشار جریان دو فازی توسط ترن و همکاران - Tran et al., 2000 - انجام شده است. در طی یک فرآیند انتقال حرارت تغییر فاز با سه مبرد R-134a - ، R-22، - R-113 در لولههای دایرهای 2/92 mm - ، - d =2/46 و کانال مستطیلی =2/4 mm - - Dh مدلهای جداسازی جریان، قطر افت فشار را پیشبینی کردند.
آنها یک رابطه جدید را برای محاسبه بهتر اثرات تنش سطحی و کانال توسعه دادند و کاوجی - Chung et al ., 2004 - یک آزمایش برای تحلیل اثر قطر کانال در افت فشار جریان دو فازی آدیاباتیک در میکرو کانالها انجام دادند. آنها مدل گریملا و همکاران را برای پیشبینی افت فشار جریان دو فاز برای میکرو کانال با قطر کمتر از 100 میکرون اصلاح کردند.
در بخش عددی، چندین تجزیه و تحلیل برای افت فشار جریان چند فازی در میکرو کانال بهصورت عددی صورت گرفته است. یکی از مهمترین مشکلات شبیهسازی عددی جریان چند فازی در میکرو کانالها، شناسایی دقیق سطح مشترک است که از طریق آن میتوان رژیمهای جریان را تعریف کرد و مکانیزمهای انتقال بین فاز را میتوان اندازهگیری کرد. فوکاگاتا و همکاران - Fukagata et al., 2007 - یک مدل دوبعدی برای بررسی ویژگیهای جریان حباب دو فازی آب و هوا در یک لوله دایرهای 20 میکرومتر توسعه دادند. روش اندازهگیری عملی برای ضبط دقیق سطح مشترک گاز و مایعات استفاده شد.
در این شبیهسازی، افت فشار با مدلهای جریان همگن مقایسه شد و نوع ویسکوزیته اینشتین نتایج ریاضی را بهخوبی پیشبینی کرد. در این مطالعه، یک شبیهسازی عددی دوبعدی برای جریان دو فاز آبBهوا در میکرو کانالهای دایرهای ارائه شده است. شبیهسازی با استفاده از چهار رژیم جریان کلاسیک - جریان حبابی، اسلاگ، حلقوی و اسلاگB حلقوی - با روش حجم سیال - VOF - انجام شد. جریان بدست آمده در شبیهسازیها با دادههای تجربی موجود مقایسه شد.
-2شبیه شاری عددی
در این بخش معادلات حاکم بر جریان دو فازی مطرح شده، سپس به توصیف مسئله و شرایط مرزی بکار رفته، پرداخته شده است.
-2-1معادلات حاکم
برای حل جریانهای چند فازی نسبت به جریان تک فازعمدتاً، روش حجم سیال مورد استفاده قرار میگیرد زیرا با مشخص شدن حرکت همه فازها، حرکت مرز مشترک نیز خودبهخود مشخص میشود - اسچپر و همکاران، 2009 و ورستیگ و همکاران، . - 2007 روش حجم سیال دارای مزایای زیادی شامل محاسبات منطقی و ساده و همچنین دقت در محاسبه برخورد7 و مرز مشترک8 بین دو فاز است. مدل VOF برای مدلسازی دو سیال مخلوطنشوندِ با یک مرز مشترک مشخص بین دو فاز کاربردهای فراوانی دارد. در روش VOF یک دسته از معادلات ناویراستوکس از طریق دامنه محاسباتی حل میشوند و پیگیری حرکت فازهای مختلف، با مشخص شدن کسر حجمی هر فاز صورت میگیرد - انسیس فلوئنت، . - 2010
معادلات ناویراستوکس
معادلات پایداری جرم9، مومنتوم10 و انرژی 11 برای توضیح حرکت سیال کارگر12 در میکرو کانال مورد استفاده قرار میگیرند. در ادامه این معادلات بهطور مفصل توضیح داده خواهند شد.
