بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اهمیت موضوع پژوهش و مهار آلودگی ، بررسی عملکرد تجهیزات مکانیکی مانند سیکلون ، همواره مورد توجه پژوهشگران بوده است . در این مقاله شبیه سازی CFD جریان دو فازی و آشفته در سیکلون جهت جداسازی درات جامد از گاز - هوا - صورت پذیرفته است . هندسه سیکلون گاز جامد در نرم افزار Solid Works مدلسازی و مسیر جریان گاز همراه با ذرات جامد بصورت دوفازی از دیدگاه اویلر-لاگرانژ در داخل سیکلون توسط نرم افزار Ansys Fluent شبیه سازی شد.
معادلات ذرات جامد بصورت گسسته - لاگرانژ - و معادلات گاز پیوسته با استفاده از روش حجم محدود ، گسسته سازی شده و ارتباط بین معادلات پیوستگی و مومنتوم از الگوریتم Simple استفاده شد . همچنین از مدل آشفتگیk- -RNG برای شبیه سازی جریان آشفته استفاده شده است . شبیه سازی انجام شده نشان داد که وجود جریان آشفته و متعاقبا نیروی آشفته باعث چسبندگی ذرات جامد به دیواره سیکلون و جداسازی بهتر میشود. همچنین نیروی گریز از مرکز بیشتر درون سیکلون باعث افزایش راندمان میشود .
مقدمه
در سیکلونها، چرخش عامل اصلی جدایش ذرات از جریان سیال بر اثر نیروی گریز از مرکز است. در محفظه های احتراق نیز، وجود چرخش میتواند باعث بهبود روند احتراق از طریق سرعت بخشیدن به اختلاط ترکیبات واکنش زدا و همچنین ایجاد نواحی گردشی گردد که در این نواحی دمای ترکیبات برای مدت زمانی نسبتا طولانی بالا میماند.
لوله مکش توربینهای آبی فرانسیس و کاپلان این نوع جریان هنگامی روی میدهد که توربینها در خارج از نقطه طراحی خود کار کنند. این موضوع میتواند باعث کاهش ضریب بازیاب لوله مکش و در نهایت افت راندمان توربین گردد. هرچند که با توجه به واگرا بودن لوله مکش، وجود مقداری چرخش در جریان عبوری از آن، میتواند با ایجاد گرادیان فشار مناسب از پدیده جدایش جریان جلوگیری نماید. البته در این دستگاه ها نیز جریان چرخشی دو فاز هنگامی که در آنها با استفاده از تزریق حباب به داخل جریان سعی بر تخفیف پیدایش پدیده کاویتاسون میشود، دیده میشود.
چن و تسای در سال [1] 2007 به مدلسازی ریاضی و آزمایشگاهی جداسازی ذرات نانومتری نمک از جریان هوا با فشار کم را در یک سیکلون جریان محوری پرداختند. کفالاس و همکاران نیز در سال [2] 2008 سیکلون با ورودی مماسی را برای جداسازی آب و هوا بصورت عددی و با استفاده از روش مدلسازی فاز گسسته نرم افزار فلوئنت بررسی کردند. هسیائو در سال [3] 2010 بصورت آزمایشگاهی جداسازی ذرات کلرید پتاسیم از هوا را درون یک سیکلون جریان محوری بررسی کردند.
کوان و همکاران نیز در سال [4] 2011 جداسازی ذرات جامد از هوا را با مدلسازی عددی توسط نرم افزار فلوئنت در یک سیکلون جریان محوری جدید مورد بررسی قرار دادند. اوه و همکاران نیز در سال [5] 2014 جداسازی ذرات زغال سنگ از هوا توسط یک سیکلون مماسی را با یک مدلسازی آزمایشگاهی بررسی کردند. ویگنسوارا و همکاران نیز در سال [6] 2015 از مدلسازی آزمایشگاهی برای بررسی جداسازی ذرات جامد از هوا درون سیکلون جریان محوری پرداختند.
مدل جریان دوفازی
برای مدل کردن جریان چندفازی دو رویکرد متفاوت اویلر-لاگرانژ و اویلر- اویلر وجود دارد. با توجه به چگالی و کسر ذرات معلق در هوا میتوان کسر حجمی ذرات در هوا را برابر 1/58e-5 بدست آورد. با توجه به اینکه این کسر از 0/1 کمتر است، از دیدگاه اویلر- لاگرانژ برای حل جریان دو فازی باید استفاده نمود. همچنین بدلیل کسر حجمی پایین ذرات، از اثر فاز گسسته یعنی ذرات بر فاز پیوسته یعنی هوا صرفنظر میشود.
در این دیدگاه فاز سیال به صورت پیوسته با حل معادلات ناویراستوکس با متوسط گیری زمانی در نظر گرفته میشود این در حالی است که فاز پراکنده با ردیابی مسیر حرکت تعداد زیادی از ذرات، حباب یا قطرات در داخل میدان سیال حل میشود. فاز پراکنده میتواند جرم، مومنتوم و انرژی را با فاز سیال تبادل کند. در واقع در این دیدگاه مسیر حرکت تک تک ذرات مشخص میشود.
فرض اساسی در این مدل این است که فاز پراکنده، کسر حجمی کمی را در بر میگیرد حتی اگر دبی جرمی فاز پراکنده بیشتر از دبی جرمی سیال باشد. از آنجا که مسیرهای ذرات مشخص است، این دیدگاه برای مدل کردن خشککنهای اسپری، احتراق سوخت مایع و جریانهای حاوی ذرات مناسب است اما برای مدل کردن مخلوطهای مایع-مایع، بسترهای سیال یا هر کاربرد دیگری که کسر حجمی فاز ثانویه قابل صرفنظر کردن نباشد، مناسب نیست.
برای استفاده از این دیدگاه در نرمافزار انسیس ورکبنچ باید از مدل ذرات3 استفاده کرد. کلیه معادلات در این بخش از راهنمای نرم افزار انسیس فلوئنت برای محاسبات جریان دوفازی از مدل فاز گسسته استخراج شده اند. در تحلیل مکانیزم انتقال ذرات از روش لاگرانژی استفاده میکنیم. معادله حاکم بر انتقال ذرات در دیدگاه لاگرانژی تحت اثر نیروی درگ، وزن، شناوری بصورت رابطه - 3 - قابل بیان است.
تعریف مسئله
هدف اصلی تحقیق بررسی بهینه سازی پارامتر هندسی طراحی یک جداکننده سیکلونی درات جامد از گاز است. برای بهینه سازی به دو پارامتر توجه میشود یکی افت فشار جریان و دوم میزان جداسازی است. بدیهی است که هرچقدر افت فشار کمتر و میزان جداسازی بیشتر باشد از نظر عملکرد برای دستگاه مطلوبتر است. به این ترتیب هدف این تحقیق از نظر کاربردی ارائه مقدار بهینه طراحی هندسی برای عملکرد مطلوب دستگاه میباشد.
فرضیات مورد استفاده عبارتند از:
· جریان دوفازی، دائم و آشفته است.
· جریان در خروجی توسعه یافته در نظر گرفته میشود.
· شرط عدم لغزش برای تمام دیواره ها قابل قبول است.
هندسه مورد استفاده و تعریف شرایط مرزی
هندسه اصلی مطابق سیکلون نمونه فولاد خوزستان در شکل 1 در نرم افزار انسیس ورکبنچ4 مطابق شکل 2 ساخته شده است. برای مرز ورودی از شرط مرزیِ سرعت ورودی برابر 18 متر بر ثانیه و برای مرز خروجی هوا از شرط مرزیِ فشار خروجی در نرم افزار انسیس فلوئنت استفاده شده است. شرط مرزی عدم لغزش روی تمام دیواره ها اعمال میشود. فشار اتمسفریک برای شرایط کاری در نظر گرفته شده است. در جدول 1 شرایط مرزی اعمالی ارائه شده است.
