بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق هیدرودینامیک بستر سیاله گاز-جامد بوسیله یکی از نرمافزارهای دینامیک سیالات محاسباتی شبیهسازی شده است. مدل استفاده شده جهت شبیهسازی مدل فاز گسسته - DPM - با دیدگاه کرات نرم - Soft Sphere - میباشد و از نرمافزار متن باز OpenFOAM جهت شبیهسازی استفاده شده است. نتایج شبیهسازی با استفاده از مقادیر افت فشار بستر در سرعتهای مختلف و مقایسه نتایج با رابطه ارگان اعتبارسنجی شده است.
در نهایت اثر پارامترهای شبیهسازی و خواص ذرات بر حداقل سرعت سیالیت بررسی شده است. طبق نتایج، علاوه بر شرایط عملیاتی و خواص ذرات، پارامترهای شبیه سازی مانند نوع شرط مرزی و تعداد سلولها جهت گسستهسازی روابط در اندازه حداقل سرعت سیالیت و دقت نتایج اثر بسزایی دارد و انتخاب نوع و مقدار مناسب آنها بستگی به شرایط مساله و حجم محاسبات دارد.
-1 مقدمه
در دهههای اخیر بسترهای سیال به دلیل مزیتها و کاربردهای فراوانی که دارند مورد توجه محققین قرار گرفتهاند. بستر سیال در فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی مختلفی مانند خشک کردن، روکش دادن، فیلتر کردن نانوذرات، جداسازی ذرات معدنی از سنگ آنهاو... استفاده میشود 1]و2و.[ 3 حداقل سرعت سیالیت یکی از مهمترین شاخصهای عملکرد بستر سیال است که روی عملکرد بستر موثر است و باعث شده تا محققین زیادی در این زمینه تحقیق کنند.
ناکامورا و همکارانش [4] در سال 1985 به بررسی حداقل سرعت سیالیت در بسترهایی با دما و فشار بالا پرداختند و روابطه تجربی برای محاسبه این سرعت ارائه کردند. نودا و همکارانش [5] در سال 1985 حداقل سرعت سیالیت را برای سیستمهای متشکل از دو نوع ذره بررسی کردند که در اندازه، چگالی و شکل ظاهری متفاوت بودند و رابطه ارائه شده توسط ون و یو را با استفاده از دادههای آزمایشگاهی به دست آمده، اصلاح کردند.
در سال 2001 هیلال و همکارانش [6] اثر پارامترهایی چون قطربستر و نوع توزیع کننده را روی حداقل سرعت سیالیت در یک بستر دو بعدی بررسی کردند و دریافتند که با افزایش قطر بستر، حداقل سرعت سیالیت کاهش مییابد و همچنین توزیع کننده اثر مهم و بسزایی در مقدار حداقل سرعت سیالیت دارد. اکثر مطالعات بصورت آزمایشگاهی انجام شده است.در این تحقیق اثر شرایط عملیاتی و پارامترهای شبیهسازی بر حداقل سرعت سیالیت بررسی شده است.
-2 روش تحقیق
برای شبیهسازی بستر سیال، دو مدل اولرین-اولرین1 و اولرین-لاگرانژین2 وجود دارد.[7] در مدل اولرین-اولرین فاز پراکنده - ذرات جامد - به صورت سیال و پیوسته در نظر گرفته میشود ولی در مدل لاگرانژین حرکت تک تک ذرات و برخورد بین آنها در نظر گرفته میشود و اثر برخورد بین ذرات نیز روی سرعت ذرات اعمال میشود.[8]
در این تحقیق به دلیل فرضیات ساده شونده کم تر و دقت بیشتر، از مدل اولرین-لاگرانژین، دیدگاه کرات نرم3 استفاده شده است و تاثیر خواص ذرات و شرایط عملیاتی و همچنین پارامترهای شبیه سازی در مقدار حداقل سرعت سیالیت بررسی شده است. برای محاسبه میدان جریان سیال معادلات پیوستگی و ممنتوم با روش حجم محدود - FVM - بر پایه الگوریتم SIMPLE حل شدند. جهت دستیابی به رفتار ذرات جامد معادله حرکت ذرات که شامل نیروهای دراگ، لیفت سافمن، نفوذ بروانی و نیروی وزن بودند ، بصورت کوپل با معادلات سیال حل شدند و نرم افزار متن باز و رایگان OpenFOAM جهت شبیه سازی بستر استفاده شده است.
بستر شبیه سازی شده یک بستر مکعبی به ابعاد 0/015 ، 0/15 و 0/45 متر میباشد که حاوی ذراتی با اندازه 2/5 میلی متر می باشد. هوا به عنوان سیال از پایین بستر جهت سیال کردن ذرات وارد میشود. چگالی ذرات، شرایط مرزی و تعداد سلولها در هر شبیه سازی در جدول 1 آورده شده است. ویسکوزیته هوا 0/000012 و چگالی آن 1/2 در نظر گرفته شد. شکل 1 شمای کلی بستر مورد نظر را نشان میدهد.
-1-2 اعتبار سنجی نتایج
افت فشار بستر و نیروی درگ بالابرنده طبق روابط 1 و2 بدست میآید. طبق روابط با افزایش سرعت، نیروی درگ و افت فشار افزایش مییابد و این افزایش تا تساوی نیروی درگ و وزن موثر ذرات ادامه پیدا میکند. سرعت سیال در این حالت حداقل سرعت سیالیت نامیده میشود و بستر در سرعتهای بالاتر از این سرعت حالت سیالگونه به خود میگیرد.
