بخشی از مقاله
چکیده
در این پروژه، شبیه سازی جریان دو فازی گاز -مایع به کمک نرم افزار Open FOAM ارائه شده است. سطح مشترک بین دو فاز با روش حجم سیال - VOF - ، با استفاده از مدل نیروی مداوم سطح - CSF - مورد بررسی قرار گرفته است. جریان های نیوتنی با استفاده از روش حجم محدود بر اساس الگوریتمPISO حل شده است. ابتدا نتایج حاصل از این شبیه سازی توسط یک آزمون برای ارزیابی صحت کدهای بسته OpenFOAM CFD بررسی شده است. که این آزمون شامل یک حباب کروی در مایع بوده که فشار اضافی تولید شده در آن با معادله لاپلاس مقایسه شده است. در نهایت با توجه به اهمیت تغییر کشش سطحی و ویسکوزیته آب در اثر برخی آلودگیها، با تغییراعداد کشش سطحی و ویسکوزیته، تغییر شکل حباب مورد بررسی قرار گرفته است و مشاهده شده است که در حد پایینی از کشش سطحی و ویسکوزیته، حباب از هم متلاشی شده و به اجزای ریزتر تجزیه می شود.
کلمات کلیدی: جریان دو فازی، صعود حباب، کشش سطحی، ویسکوزیته،.Open FOAM
نکات برجسته پژوهش
· شبیه سازی صعود تک حباب در مایع ساکن با نرم افزار .Open FOAM
· استفاده از روش VOF برای بررسی سطح مشترک.
· بررسی تغییر کشش سطحی و ویسکوزیته آب و اثر آن بر روی تغییر شکل حباب در حال صعود.
-1 مقدمه
جریان های چند فازی در محدوده وسیعی از شرایط مانند بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی و صنعتی مهم رخ میدهد و آنها بصورت گسترده ای توسط محققان بطور نظری و تجربی مورد مطالعه قرار گرفتهاند. یکی از نمونههای بسیار اساسی از جریانهای چند فازی، بالارفتن و تغییر شکل یک تک حباب از یک مایع است. روشن است شناخت کامل از این سیستم پایه، اهمیت زیادی برای درک جریانهای پیچیدهتر مانند جریانهای چند حبابی دارد. با آزمایشهای متعددی بالا رفتن حباب منفرد در مایعات راکد یا در حال حرکت مورد مطالعه قرار گرفته است[3-1]، با وجود سادگی ظاهری، جنبههای مهم رفتار تک حباب در مایع راکد هنوز نامشخص باقی مانده است.
صعودیک حباب در مایع تابعی از پارامترهای مختلف از جمله ویژگیهای حباب - اندازه و شکل - ، خواص سیستم های گاز -مایع - چگالی، گرانروی، کشش سطحی، غلظت جز حل شده، اختلاف چگالی بین گاز و مایع - ، حرکت مایع - جهت - و شرایط عملیاتی - دما، فشار، گرانش - است.برخی محدودیتها در روشهای تجربی، لزوم بررسیهای عددی را آشکار میسازد، برای مثال به دست آوردن اطلاعات کامل درباره میدان جریان و توزیع فشار در تمام دامنه مشکل است و همچنین حباب در حال صعود تحت تاثیر جز حل شونده و شکل گیری اولیه حباب میباشد.[1]
در سالهای اخیر، شبیه سازی مستقیم عددی و روشهای پیگیری سطح مشترک، کمک شایانی به درک فیزیکی بهتر از جریانهای چند فازی کرده است. مزیت بزرگ شبیه سازی عددی آن است که از مواجه شدن با برخی مشکلات عملی در آزمایش جلوگیری میکند. بالا رفتن حباب گاز در مایع ساکن تا کنون چندین بار مورد مطالعه قرار گرفته است .[6-4] در این پروژه در ابتدا صحت و اعتبار نرم افزار OpenFoam مورد مطالعه قرار گرفته است، سپس آن را برای مساله بالا رفتن حباب بکار برده و در نهایت به دلیل اهمیت تغییر خواص آب در اثر برخی آلودگی ها، با تغییر ویسکوزیته و کشش سطحی تغییر شکل حباب مورد بررسی قرار گرفته است.
-2مدل عددی
معادله بقای جرم برای جریان سیال تراکم ناپذیر در کل دامنه به صورت زیر میباشد:
دو فاز غیرقابل امتزاج هستند و یک سطح مشترک بین آنها وجود دارد. خواص مواد و میدان جریان در سرتاسر سطح مشترک بین دو سیال ناپیوسته هستند. سطح مشترک به عنوان یک مرز ثابت تعریف نشده است و یک ناحیه گذرا وجود دارد که سیال درون آن به عنوان مخلوطی از سیالهای دو طرف سطح مشترک رفتار میکند. خواص این سیال به صورت زیر تعریف می شوند:
که در اینجا نشان دهندهی چگالی - - و ویسکوزیته - - است و کسری است که نسبت حجم مایع به حجم سلول را نشان میدهد.سطح مشترک با سرعت u حرکت میکند، بنابراین گاز و مایع سرعت یکسانی در سطح مشترک دارند و تنش برشی در این سطح وجود ندارد. معادله برای میدان تغییر فاز بصورت زیر است:
OpenFoam یک جمله فشرده سازی مصنوعی - ساختگی - به کار میبرد، برای اینکه حل معادلهی بین صفر و یک محدود شود.جملهی ساختگی - مصنوعی - این عبارت فقط در ناحیه نازک سطح مشترک فعال است، زیرا حاصلضرب جمله - 1- - در Ur ، میدان سرعت مناسبی برای فشرده سازی سطح مشترک است. با استفاده از مدل نیروی سطح مستمر - CSF - ، معادله انتقال مومنتوم برای جریان تراکم ناپذیر به صورت زیر است:
در رابطه بالا، کشش سطحی و انحنای فصل مشترک است، رابطه انحنای فصل مشترک فاز به صورت زیر است:
-3 روشهای عددی
روش های عددی مختلف برای شبیه سازی مستقیم سیستمهای دو فازی - گاز- مایع - ، تا کنون به کار برده شده است. VOF، Level-Set و Front-Tracking، سه روش برجسته از میان روشهای بررسی فصل مشترک هستند. این روشها را میتوان در دو گروه اصلی تقسیم کرد.
