بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، رفتار هیدرودینامیک حباب در زمان جدایش به روش عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. یک کد CFD جهت اعمال تاثیر میدان و پتانسیل الکتریکی بر دینامیک صعود حباب بسط داده شده و همچنین تنسور تنش ناشی از میدان الکتریکی روی سطح حباب مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت میدان الکتریکی در جهت های عمودی و مماسی محاسبه شده است.
نتایج نشان دادند که گرادیان بالای پتانسیل الکتریکی روی سطح باعث گرادیان بالای میدان الکتریکی و همچنین اعمال تنش زیادی بر روی سطح حباب خواهد شد. نتایج این بررسی نشان می دهد که حباب ها تحت تاثیر مولفه افقی تنش الکتریکی شدیده فشرده شده و تحت تاثیر مولفه عمودی آن کشیده می شوند. بنابر این حباب های دوکی شکل در جهت میدان الکتریکی شکل می گیرند.
-1 مقدمه
رشد، جدایش و پراکندگی حباب هاب گاز می تواند نقش موثر و مهمی در فرآیندهای اختلاط مربوط به فاز مایع داشته باشد. این موضوع می تواند تاثیر قابل توجهی بر انتقال جرم و حرارت در نقطه ی هسته زائی و یا تزریق گاز داشته باشد، همچنین گردابه های ایجاد شده در دنباله حباب می توانند نقش مهمی در انتقال حرارت و جرم ناشی از جا به جایی داشته باشد .[1] تزریق گاز همچنین برای ایجاد جریان اسلاگ مربوط به حباب هاب تیلور و پلاگ های مایع، مثلا در فرآیند اولترافیلتراسیون برای افزایش جریان نفوذ کننده در فیلترهای غشائی مورد استفاده قرار میگیرد.[2]
به طور کلی، اندازه ی حباب ها و مشخصات دینامیکی آن مثلا در یک رآکتور حبابکار، با سه فاکتور اندازه گیری می شود: - 1شکل حباب ، - 2 پیوستن حباب ها به یکدیگر و - 3 شکسته شدن حباب به حباب های کوچکتر. برای مدل کردن این فرآیندها ، ضروری است که اولین مرحله ی تزریق گاز، رشد و جدایش که تاثیر بسیار مهمی در شکل حباب و مسیر حرکت آن در مایع دارند، با استفاده از یک روش عددی با دقت زیاد بررسی شود.[3]
اولین مطالعات تئوری صورت گرفته در بررسی رشد حباب، رفتار سطح مشترک گاز/مایع را با فرض شکل ثابت کروی برای حباب پیش بینی می کند.[4] عمده ترین مشکل این روش ناتوانی آن در محاسبه اثرات ویسکوزیته به ویژه در لحظه ی جدایش حباب می باشد. در طول سه دهه ی گذشته ، پیشرفت های مهمی که در روش های عددی و محاسباتی رخ داده، بررسی رفتارهای پیچیده ی سطح مشترک گاز/مایع در جریان سیالات ویسکوز را به کمک روش های اولری و لاگرانژی ممکن کرده است. در هر دو روش، دو فاز به صورت یک مخلوط سیال فرض شده و معادلات ناویر-استوکس بر روی یک شبکه ثابت و با مشخصاتی که در سطح مشترک وجود دارد، حل می گردند.
در روش های اولری، ردیابی تغییرات سطح مشترک از طریق میدان کسر حجمی و با محاسبه سرعت برای فاز مخلوط روی یک شبکه ثابت صورت می گیرد. دو روش متداول با شبکه ی ثابت، روش حجم سیال - VOF - و روش لول ست - LS - هستند، که به طور عمده در فرآیندهای دوفازی مانند حرکت حباب در سیال به کار می روند. در تحقیق حاضر، از روش حجم سیال - VOF - برای مطالعه رشد و جدایش حباب استفاده شده است.
از سوی دیگر یک روش موثر برای افزایش انتقال حرارت، الکتروهیدرودینامیک - EHD - است که تاکنون توجه بسیاری را به خود جلب نموده است. [5] Chub در سال 1916 نشان داد که نرخ تبخیر آب در حضور میدان الکتریکی سه برابر می شود. آزمایشات گسترده ای برای مطالعه افزایش انتقال حرارت و رفتار حباب منفرد متصل به دیواره در میدان های جریان مستقیم - - DC و متناوب - - AC انجام شده است.
آزمایشات مقدماتی نشان دادند که در حضور میدان الکتریکی، کسر نسبی حباب در زمان جدایش ، فرکانس جدایش حباب و ماکزیمم فلاکس حرارتی افزایش یافته و از سوی دیگر حجم جدایش حباب کاهش می یابد.[6-8] در این مطالعات، اثر میدان روی دینامیک حرکت حباب نگرانی اصلی بوده است، زیرا رفتار حباب در حضور میدان تغییر می کند ، باور بر این است که این یکی از دلایل اصلی افزایش انتقال حرارت در جوشش استخری است. Melcher و [9] Taylor تنش های الکتریکی روی یک قطره یا حباب کروی خالی معلق در یک سیال تراکم ناپذیر را بررسی کردند.
آنها یک فاکتور متفاوت را برای بیان ارتباط بین کشیدگی طولی و پهن شدگی عرضی در شکل قطرات یا حباب های خالی با میدان الکتریکی ارائه دادند که نشان داد میدان الکتریکی بر تغییر شکل حباب موثر است. قبل از آنها، Chengو [10] Chaddock تغییر شکل حباب و پایداری آن را با در نظر گرفتن انرژی آزاد در میدان الکتریکی یکنواخت تحلیل کردند و فرض کردند حباب کروی است.
[11].Cho et al به صورت تئوری و آزمایشی تاثیرات میدان الکتریکی بر روی حباب متصل به دیواره را بدون فرض کروی بودن حباب مورد بررسی قرار داد. نیروی الکتروستریکشن - نیرویی که باعث تغییر شکل سیال دی الکتریک در حضور میدان الکتریکی می شود - در این محاسبات نادیده گرفته شده است. نتایج نشان دادند که حباب ها در راستای موازی با میدان الکتریکی کشیده شدند. کشیدگی حباب ها با افزایش شدت میدان الکتریکی افزایش یافت. اخیرا آزمایشاتی روی یک حباب منفرد در میدان الکتریکی که توسط [13] Dong et al انجام شده نتایج جالبی از جدایش حباب و پدیده شکستن1 حباب نشان داده است. به هرحال مکانیزم اصلی برای اثرات EHD همچنان کاملا شناخته نشده است.
مقاله حاضر به شبیه سازی رفتار یک حباب نیتروژن می پردازد که در روغن ترانسفورمر با حضور میدان الکتریکی یکنواخت تزریق میشود. درکار آزمایشگاهی مدل سازی شده[14]، تشکیل حباب در میدان الکتریکی DC توسط یک دوربین با سرعت بالا مشاهده شده است. علاوه بر این، توزیع میدان الکتریکی و تنش های الکتریکی روی سطح واقعی حباب تحلیل شده اند.
-2 معادلات حاکم
به منظور شبیهسازی عددی، باید معادلات حاکم در محدوده محاسباتی حل شوند. در این قسمت، به بررسی این معادلات پرداخته شده است.
