بخشی از مقاله
چکیده
جریان های دو فازی در بسیاری از مسایل مهندسی مشاهده شده است.نمونه ای از این جریان ها به شکل حضور سیال گازی به صورت ذرات حباب در یک سیال پیوسته است که کاربرد بسیاری در صنعت دارد.در این تحقیق تعامل و انعقاد دو حباب گازی بصورت دو بعدی و سه بعدی مورد بررسی قرار گرفته است .برای مدلسازی خیزش و انعقاد حباب ها از نرم افزار منبع باز اپن فوم و نیز از روش VOF استفاده شده است.ابتدا تاثیر پارامتر های فیزیکی و اعداد بی بعد موثر بر تعامل حباب ها مورد بررسی قرار گرفته و مشخص شد که با افزایش ویسکوزیته مایع،حباب ها تغییر شکل کمتری داده و انعقاد حباب ها زودتر اتفاق می افتد.
با بررسی اثر کشش سطحی متوجه شدیم که با افزایش کشش سطحی،حباب ها آهسته تر در مایع بالا آمده و دیرتر منعقد میگردند. سپس تاثیر اندازه ی حباب ها با شبیه سازی کیس هایی با قطرهای مختلف مورد ارزیابی قرار گرفته و مشاهده شد که با افزایش قطر حباب،تغییر شکل آن افزایش یافته و در قطرهای بزرگ انعقاد رخ نخواهد داد.در پایان نیز اثرات دیواره بر انعقاد حباب ها مورد بحث قرار گرفته و نشان داده شد که با افزایش نسبت عرض کانال به قطر حباب،سرعت خیزش حباب ها افزایش یافته و انعقاد زودتر اتفاق می افتد.در تمامی شبیه سازی ها از انتقال حرارت و انتقال جرم صرف نظر شده و پارامترهای فیزیکی نیز در حین شبیه سازی ثابت فرض شده اند.
مقدمه
دینامیک انعقاد حباب نقش مهمی در بسیاری از فرایند های مهندسی ایفا میکند، کاربردهایی مانند پلیمریزاسیون1، استخراج، تولید مواد شوینده، محصولات آرایشی و فرایندهای جوشش و میعان از این قبیل اند. مطالعات نظری و تجربی زیادی در زمینه انعقاد حباب توسط نارایانان[1] در سال 1974، باگا و وبر[2] در سال 1980، اولمون و بلانچ[3] در سال 1986 و استوور و همکاران[4] در سال 1997 انجام گرفته است.
اکثر این مطالعات بر پایه تحقیقات تجربی می باشند.استوور و همکاران[4] یک روش المان محدود را برای بررسی انعقاد حباب های کوچک اتخاذ کرده و از نتایج شبیه سازی شده برای اعتبار بخشیدن به مشاهدات تجربی شان استفاده کردند .آنها در مطالعه ی خود بر دینامیک سطح مشترک، پس از برخورد دو حباب متمرکز شدند.[5] به علت محدودیت روش های تجربی در مطالعه ی دینامیک حباب ها، بسیاری از محققین از روش های عددی برای مطالعه ی جنبه های مختلف این پدیده بهره می برند. عواملی که احتمال ادغام حباب ها و کیفیت انعقاد را تحت تاثیر قرار می دهند در ادامه بطور خلاصه آمده است.
بطور کلی سه معیار برای انعقاد دو حباب ارائه شده است.محبوب ترین نظریه توسط شینار و چرچ[6] در سال 1960 معرفی شده است.آنها مدل کشیدن لایه2 را ارائه کردند که در آن پس از برخورد دو حباب لایه ی نازکی از مایع با ضخامت 0.01 تا 0.001 میلیمتر تشکیل می شود . عمل انعقاد زمانی اتفاق می افتد که نیروهای جاذبه بین دو حباب افزایش یابد و لایه تشکیل شده از بین برود.
بطور خلاصه سه مرحله ی انعقاد حباب بصورت زیر می باشد : نزدیک شدن حباب ها، به دام انداختن مایع و تشکیل فیلم مایع و نهایتا پارگی و از بین رفتن فیلم.دیدگاه دوم مربوط به هوارث[7] می باشد که اعتقاد دارد نیروی جاذبه بین دو حباب از ماهیت مولکولی سیال سرچشمه می گیرد و نه از گردابه های تشکیل شده و اغتشاشات.در نتیجه عمل انعقاد تنها زمانی اتفاق می افتد که ضخامت فیلم مایع به مقدار بحرانی آن برسد .
لر و موس[8] نیز یک سرعت بحرانی برای نزدیک شدن و انعقاد دو حباب معرفی کرده و بر این باورند که هرچه سرعت نزدیک شدن حباب ها کمتر باشد برای انعقاد موثرتر خواهد بود.[9] در این پژوهش ابتدا به شبیه سازی انعقاد دو حباب با استفاده از نرم افزار منبع باز اپن فوم3 پرداخته و پس از معتبر سازی نتایج، تاثیر پارامترها و اعداد بی بعد موثر را بر تعامل حباب ها بررسی می کنیم. در این شبیه سازی ها از روش VOF - روش یک سیال - برای مشخص کردن رابطه بین دو فاز استفاده می شود.
مدلسازی عددی،بحث و نتایج
فرضیات اصلی استفاده شده برای شبیه سازی انعقاد حباب ها شامل آرام بودن جریان با عدد رینولدز پایین، تراکم ناپذیز بودن و همدما بودن سیال می باشد. به علاوه از اثرات انتقال جرم نیز صرف نظر شده است وحباب ها دارای شعاع اولیه ی یکسان می باشند. همچنین برای شبیه سازی سه بعدی، هندسه استفاده شده بصورت استوانه بوده و شعاع آن به گونه ای انتخاب شده تا اثرات دیواره قابل صرفنظر کردن باشد.
معادلات حاکم بر مسئله شامل معادلات ناویر-استوکس4 به همراه یک معادله برای تغییر شکل حباب می باشد که به منظور حل آنها از متد VOF استفاده می شود.در روش VOF برای جریان دوفازی غیر قابل تراکم که توسط هیرت و نیکولز[10] ارائه شده است،معادله ی جابجایی برای تابع اسکالر ، همزمان با معادلات پیوستگی و ممنتوم حل می شود. که در این معادلات T تانسور تنش برشی و f نیز نشان دهنده ی نیروهای بدنه ای است که به سیال وارد می شوند .
شکل های - 1 - و - 2 - نتایج شبیه سازی را در دو حالت دوبعدی و سه بعدی نشان می دهند. با شروع خیزش حباب به علت اختلاف فشار در سطوح بالایی و پایینی تغییر شکل اتفاق می افتد. حباب جلویی تقریبا به شکل بیضی در آمده و حباب عقبی به علت دنباله مایعی که در پشت حباب پیشرو تشکیل شده است تغییر شکل بیشتری می دهد - شکل -1الف و ب - . هنگامی که دو حباب به هم نزدیکتر می شوند حباب پشتی شتاب گرفته - شکل -1ب - و با گذشت زمان حباب ها به هم برخورد کرده و شکلی شبیه قارچ به وجود می آید - شکل-1ج - و سرانجام با گذشت زمان بیشتر یک حباب تنها دیده می شود.
اثر حباب پیشرو بر تغییر شکل حباب پشتی نیز در شکل - 4-a - قابل مشاهده است.با نزدیکتر شدن حباب پشتی،قسمت بالایی آن شکل کشیده تری پیدا کرده و شکلی شبیه کلاه بدست می آید.علت این امر نیز وجود گردابه در دنباله ی حباب پیشرو می باشد. از طرف دیگر در عدد مورتون بالاتر - شکل - 3-b،گردابه ی ضعیف تشکیل شده در اطراف حباب جلویی براحتی در هم می شکند و همچنین تاثیر حباب پشتی بر جت مایع تشکیل شده در پشت حباب پیشرو قابل توجه خواهد بود.در نتیجه ی این عامل،حباب پیشرو آهسته تر بالا آمده - سرعت خیزش آن کاهش می یابد - و همچنین نوک حباب پشتی آرامتر کشیده می شود که منجر به انعقاد دو حباب می گردد.
با کاهش ویسکوزیته ی مایع، جت قویتری پشت حباب ها تشکیل شده و از آنجایی که جت مایع پشت حباب باعث تغییر شکل حباب می شود[5]، هر دوی حباب ها در این حالت تغییر شکل شدیدتری میدهند که در شکل نیز قابل مشاهده است.در ویسکوزیته پایین - عدد مرتون کوچکتر - ،گرداب شدیدتری اطراف حباب پیشرو به وجود می آید که این امر سبب افزایش فشار در دنباله ی حباب پیشرو میشود،و از نزدیکتر شدن حباب پشتی جلوگیری می کند و انعقاد حباب ها را به تاخیر می اندازد.
