بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به بررسی اثرات تغییرات قطر اصلی - قطر دیافراگم - در مدل سیکلون استریمند پرداخته میشود. برای مدل کردن و شبکهبندی آن به صورت سازمان یافته که عامل مهمی در دقت مسأله است، از نرم افزار گمبیت استفاده شده است. برای حل دینامیک سیالات محاسباتی آن از نرم افزار فلوئنت استفاده شده است. شرایط مرزی حاکم بر مسأله با استفاده از مدل سیمپل حل شده است.
برای ردیابی ذرات از مدل اویلرین-لاگرانژین استفاده شده است. در نهایت با توجه به رابطهی تجربی که با استفاده از دادههای آزمایشگاهی بدست آمده است اثرات قطر دیافراگم برای طراحی سیکلون، مورد بررسی قرار گرفته است. با افزایش قطر دیافراگم سرعت مماسی افزایش یافته و در سیکلون c1 افت فشار کاهش مییابد، در حالی که در سیکلون c3 افت فشار نسبت به c2 افزایش یافته است. سرانجام با بررسی رابطهی تجربی به این نتیجه میرسیم که با افزایش قطر دیافراگم که اثر قابل توجهی بر فشار دارد، عدد اویلر افت میکند که این به نوبهی خود در طراحی سیکلون گازی استریمند حائز اهمیت است.
-1 مقدمه
وسیله جداساز سیکلون در جدایش گاز از جامد برای مثال کاتالیزور مایعکننده کراکینک - که در تصفیه نفت استفاده میشود - ، هیدروکربنها، و لایه مدور مایع شونده در صفحات الکتریکی و در صنعت گاز و روغن به صورت گسترده مورد استفاده قرار میگیرند
عملکرد سیکلون در اثر اختلاف چگالی بین فاز مایع و جامد صورت میگیرد. جریان چرخشی قوی گاز در سیکلون، برای اعمال نیروی گریز از مرکز بر روی ذرات لازم است و با جداسازی آنها از میدان جریان گازی، ذرات به سمت دیوار سیکلون حرکت میکنند.
در حالت کلی، میدان جریان داخلی سیکلون با چرخش قوی ورتکس توصیف میشود و این عمل در جداسازی حائز اهمیت است. بدیهی است که فاکتورهای متعددی بر میدان جریان تأثیرات قابل ملاحظهای دارند که از جمله آنها میتوان به هندسه سیکلون و شرایط عملکردی آن اشاره کرد.[3] خوشبختانه دو فاکتوری که محققین بر روی آن تحقیق کردهاند یکی شبیهسازی و دیگری آزمایشگاهی میباشد.
گریفیتس و بویسان[5] نشان دادند که روش دینامیک سیالات محاسباتی پتانسیل زیادی را در پیشبینی خصوصیات میدان جریان، مسیریابی ذرات و افت فشار در سیکلون دارد. مطالعات عددی [6] گزارش شده پیرامون شبیهسازی عددی سیکلونها، اغلب به پیشگامی کار بویسان و همکارانش انجام شده است. دقت مدل عددی جریان اولی آشفته بستگی به انتخاب مناسب مدل آشفته دارد
مدل آشفته دو معادلهای k- و انواع دیگر آنها برای شبیهسازی جریان آشفته چرخشی بالا در سیکلون با توجه به فرض ناهمسانگردی در تشکیل آنها نامناسب است. مدل آشفته RSTM برای اثرات انحنای جریان، چرخش و تغییرات سریع کرنش درون آیروسیکلون مناسب است
کولیوان و همکارانش [7] با استفاده از نرم افزار فلوئنت1 توزیع فشار، سرعت ورودی و مسیر ذرات را شبیهسازی کردند. همچنین آنها با کوپل کرنش-فشار مرتبه دوم در مدل آشفته RSTM توانستند هسته هوای ساکن درون هیدروسیکلون را شبیهسازی کنند. شتز و همکارانش[8] الگوی جریان و بازدهی جداسازی را برای هیدروسیکلون 50 میلیمتری با استفاده از نرمافزار فلوئنت شبیهسازی کردند و نتیجه این شبیهسازی را با داده های آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار دادند.
نارسیما و همکارانش [9] با استفاده از مدل آشفته k- استاندارد، سرعت سیال و اندازه برش ذرات2 را شبیهسازی کردند. آنها نتایج خود را با دادههای آزمایشگاهی سیکلون 101 میلیمتری مقایسه کردند. وانگ و یو [10] اثرات ابعادی هیدروسیکلون را بر روی جریان چندفازی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی مورد مطالعه قرار دادند از طرفی آنها از مدل آشفته RSTM برای مدل سیال پیوسته هوا، برای جریان دو فازی و مدل لاگرانژین را برای مسیریابی ذرات مورد استفاده قرار دادند.
هافمن و همکارانش[11] به صورت آزمایشگاهی تغییر طول بر روی سیکلونها را مورد مطالعه قرار دادند. آنها مشاهده کردند که افزایش طول استوانه به اندازه 5/5 برابر قطر سیکلون موجب بهبود عملکرد و کارایی پارامترها میشود. همچنین افزایش طول سیکلون منجر به کاهش بازدهی جداسازی میشود.
یانگ و لی [12] اثرات افزایش طول سیکلون را با استفاده از شبیهسازی عددی فاز پیوسته مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که با افزایش طول سیکلون سرعت مماسی کاهش مییابد. البته هدف از مطالعه حاضر بررسی اثرات قطر اصلی - قطر دیافراگم - که عامل مهمی در طراحی و ساخت سیکلون است، بوده و در پایان به بیبُعد سازی پارامترهای مهم و مقایسه شبیهسازی عددی با بهینه سازی پارامتر های تجربی پرداخته شده است.
-2 معادله حاکم
-1-1-2معادلات حاکم بر فاز پیوسته
با توجه به اینکه جریان در سیکلون بطور طبیعی سه بُعدی و با آشفتگی بالا در دمای ثابت و غیرقابل تراکم است، برای چنین جریانی با میانگین گیری رینولدزی معادلات ناویر استوکس و بقای جرم بصورت زیر میباشد:
در رابطه فوق سرعت متوسط و P فشار متوسط و سیستم مختصاتی و لزجت سینماتیکی و چگالی گاز است. در اینجا تانسور تنش رینولدز به کمک معادلات ناویر استوکس مدل شده است.
-2-1-2مدل آشفته
در مطالعه حاضر مدل تنش رینولدز - RSMT - از مدل بسته برای معادله ناویر استوکس میانگینگیری رینولدزی که معادلات انتقال تنش رینولدز را با یک معادله دیگر برای نرخ اتلافات مورد بررسی قرار میدهد، استفاده میشود. لذا RSTM توانایی محاسبه انحنای زیاد خطوط جریان، چرخش و تغییرات سریع در کرنش را دارد
