بخشی از مقاله
خلاصه - در این پژوهش بهینهسازی ابعاد دهانه ورودی سایکلون با در نظر گرفتن دو تابع هدف افت فشار و راندمان جداسازی به کمک تکنیک های دینامیک سیالات محاسباتی صورت گرفت. بهمنظور صحهسنجی شبیهسازی. نتایج با نتایج تجربی مقایسه شد شبیهسازی تطابق رضایت بخشی با نتایج تجربی داشت و میانگین خطای مدلسازی کمتر از 10درصد به دست آمد نتایج نشان داد افزایش عرض یا ارتفاع ورودی سایکلون افت فشار را به بهای افزایش قطر برشی کاهش میدهد.
سایکلونهای با ورودی عریضتر مطلوب نیستند. تأثیر تغییر عرض ورودی روی قطر برشی در مقایسه با تأثیر ارتفاع ورودی چشمگیرتر است. همچنین نسبت بهینه عرض ورودی به ارتفاع ورودی b/a بین 0,5 الی 0,7 به دست آمد. در این نسبت هر دو تابع هدف وضعیت به نسبت مطلوبی دارند در این بازه میزان افت فشار در حدود 100 پاسکال و مقدار قطر برشی نیز قابلقبول و در حدود 1/1 تا 1/3 میکرومتر است.
.1 مقدمه
سایکلون قسمت مهمی در دستگاههای مکنده صنعتی به شمار میرود. برخی از انواع مکنده صنعتی از سایکلونهای قدرتمندی استفاده کرده و فیلتر را از فرایند مکش خود حذف نمودهاند. جداکننده سایکلونی روشی برای جدا کردن ذرات جامد از هوا بدون استفاده از فیلتر است. سایکلون دستگاهی است که بانیروی گریز از مرکزی که در اثر گاز ورودی تولید میشود ذرات جامد را از گاز جدا میکند.
ذرات جامد با حرکت دورانی مارپیچی بهسوی پایین جریان مییابد. نیروی گریز از مرکز که به علت گردش به ذرات وارد میشود آنها را بهسوی بدنه سایکلون میراند و موجب جدا شدن آنها از فاز گازی میشود گاز با حرکت مارپیچی خود به انتهای مخروط رسیده و ناچارا جهت خود را تغییر میدهد و از پایین به بالا با پیچشی با شعاع کوچکتر از مارپیچ اولیه به حرکت درمیآید و از خروجی که در محور استوانه و سمت بالا قرار دارد خارج میشود. سایکلونمعمولاً برای ذرات 0/5 میکرون تا 1000 میکرون بهکاربرده میشود.
افت فشار و راندمان جداسازی دو پارامترهای مهم برای انتخاب و طراحی سایکلونها میباشند[ - ] افت فشار با هزینه انرژی - هزینه بهرهبرداری - رابطه مستقیم دارد همچنینمعمولاً راندمانهای جمعآوری بالاتر سبب افت فشارهای بیشترمی شوند. و درواقع دو تابع هدف با یکدیگر در تضاد هستند. راندمان کلی جداسازی برحسب میزان ذرات جداشده بهکل ذرات تعریف میشود.
ابعاد ورودی یکی از پارامترهای تأثیرگذار بر راندمان و افت فشار کل هستند. کورتس[ ] دریافت که طول طبیعی گردابه متناسب با مساحت ورودی تغییر میکند. هرچند در این خصوص گزارش متناقضی نیز ارائهشده است. تأثیر واضح ابعاد ورودی سایکلون بر عملکرد آن در مقالات زیادی اثباتشده است برار و همکارانش [ ] اقدام به بررسی یک سایکلون با دو ورودی نموده و به امکان افزایش بازده سایکلون بدون افزایش افت فشار، تنها با بهبود هندسه ورودی سایکلون اشارهکرده است.
میسولیا و همکارانش [ ] همچنین کیان و ژانگ [ ] تأثیر زاویه ورودی را موردبررسی قرار دادهاند که نتایج آنها حالتی از کاهش 30 درصدی افت فشار نسبت به سایکلونهای متداول در زاویه 45 درجه بوده است. این در حالی است که نتایج کیان و وو ] [ تنها کاهش 15 درصد را در این زاویه نشان میدهد. در مطالعاتی که موفقیان و همکاران ] [ بر روی سایکلون استوانهای جداکننده گاز- مایع انجام دادند تأثیر مثبت افزایش یک ورودی به دو ورودی بر هیدرودینامیک در فاز جریان موردبررسی قرارگرفته است که نتایج حاکی از بهبود عملکرد سایکلون استوانه دارای دو ورودی بوده است.
تاکنون مطالعه جامعی بر روی عرض و ارتفاع دهانه ورودی سایکلون صورت نگرفته است. در این مطالعه شبیهسازی سهبعدی با استفاده از مدل اغتشاشی تنش رینولدز* به کمک دیدگاه اولری- لاگرانژی صورت گرفته است. شبیهسازی برای 5 ابعاد متفاوت کانال ورودی انجامشده است تا تأثیر عرض و ارتفاع ورودی کانال بر روی افت فشار و راندمان جمعآوری - قطر برش - و همچنین الگوی جریان مشخص گردد.
.2مدلعددی
در سایکلونها، کلید موفقیتِ دینامیک سیالات محاسباتی، در تشریح دقیق جریان مغشوش نهفته است. برای مدل کردن جریان مغشوش چرخشی در یک سایکلون مدلهای زیادی در فلوئنت موجود است. این مدلها از مدل استاندارد k- تا مدلهای پیچیدهتر مانند مدل اغتشاش تنش رینولدز گسترده شدهاند . همچنین روش شبیهسازی گرداب بزرگ بهعنوان دیگر روش برای جایگزینی معادلات ناویر استوکس متوسط گیری شده رینولدز پیشنهادشده است.
انتخاب مدل اغتشاش مناسب برای جریانهای با چرخش بالا توسط محققین زیادی موردبررسی قرارگرفته است- ] .[ چوان و گیمبان[ ] در تحقیقات خود ادعا کردند که مدلهای k- برای شبیهسازی و مدل کردن جریان چرخشی قوی موجود در جداکنندههای سایکلونی بهینه و مناسب نیستند. مدل اغتشاش تنش رینولدز نیازمند حل معادلات انتقال برای هر یک از اجزاء تنش رینولدز هست. این کار موجب پیشبینی دقیق الگوی جریان چرخشی، سرعت محوری، سرعت مماسی، قطر جداسازی و افت فشار در شبیهسازی سایکلون میگردد.[ - -v] در پژوهش حاضر از مدل اغتشاش تنش رینولدز برای مشخص کردن تأثیر تغییر ابعاد ورودی بر جریان مغشوش در جداکننده سایکلون استفادهشده است
.1-2 معادلات حاکم
در این پژوهش از روش مدل تنش رینولدز و دیدگاه اولری-لاگرانژی - روش فاز گسسته - * به کمک نرمافزار انسیس -فلوئنت برای شبیهسازی جریان مغشوش استفاده میشود. جریان هوا فاز پیوسته و جریان ذرات جامد بهعنوان فاز گسسته در نظر گرفتهشدهاند
.1-1-2معادلات حاکم بر فاز پیوسته
مدل اغتشاش تنش رینولدز بر اساس معادلات انتقال برای همه اجزاء تانسور تنش رینولدز و نرخ اتلاف عمل میکند. بدین ترتیب که معادله برای انتقال تنشهای رینولدز در سیال و برای تکتک اجزاء تنش حل میشود. خروجی، مدلی دقیق ارائه میکند که سبب میشود این روش برای شبیهسازی جریانهای پیچیده در مقایسه با دیگر روشها مناسبتر باشد.
