بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، شبیه سازی جریان دوفازی غیر همسو در لوله عمودی با قطر داخلی 60 mm و ارتفاع 2 m به انجام رسیده است. شبیه سازی با استفاده از نرم افزار اوپن فوم و روش حجم سیال به انجام رسیده است. در این روش جریان دوفاز بهصورت غیرقابل تراکم، هم دما و مخلوط نشدنی شبیه سازی شده است. مدلسازی هندسی و اعمال شرایط مرزی و اولیه با توجه بررسی آزمایشگاهی به انجام رسیده است.
تاکنون تعداد اندکی از پژوهشهای عددی و آزمایشگاهی صورت گرفته در زمینه جریانهای غیر همسو در لولههای با قطر بزرگ مقیاس انجام شده است. هوا از پایین به بالا و آب از بالا به پایین جریان دارد. محدوده سرعتهای ظاهری هوا و آب به ترتیب m/s 2-7.1 و 0.01-0.15 m/s است. با توجه به ماهیت الگوهای مشاهده شده از مدل توربولانسی k- در شبیه سازیهای صورت گرفته، استفاده شده است. با انجام شبیه سازی در محدوده سرعتهای ظاهری آب و هوا، الگوهای اصلی لختهای، متلاطم، حلقوی و همچنین پدیده طغیان بهخوبی مشاهده شد. علاوه بر مشاهده الگوهای جریان، تغییرات رژیمهای مختلف با تغییر سرعتهای ظاهری نیز مورد بررسی واقع شد.
-1 مقدمه
امروزه جریانهای دو فازی و چند فازی با اهمیتی روز افزون در گسترهی وسیعی از سیستمهای مهندسی شامل طراحی بهینه و اجرای ایمن عملیاتها همراه هستند. البته این به معنی محدود بودن این پدیده به فناوری صنعتی مدرن نیست و جریانهای چند فازی را میتوان در سیستمهای بیولوژیکی و پدیدههای طبیعی نیز مشاهده نمود. برخی از مهمترین کاربردهای این نوع جریانها به صورت زیر دسته بندی شده اند:
سیستمهای نیروگاهی: رآکتورهای هسته ای آب تحت فشار، بویلر و اواپراتور نیروگاهها، ژنراتورهای MHD، موتورهای احتراق داخلی، موتورهای جت، موشکهای با پیشرانه جامد یا مایع و غیره.
سیستمهای انتقال حرارت: مبدلهای حرارتی، اواپراتورها، کندانسورها، برجهای خنک کن، خشک کنندهها،
سیستمهای سرمایش و غیره.
سیستمهای انتقالی: پمپها، اجکتورها، خطوط لوله انتقال ترکیبات نفت و گاز و غیره.
سیستمهای کنترل محیط: تهویه کنندهها، کولرها، جمع کنندههای ذرات، کنترل کنندههای آلودگی هوا و غیره.
سیستمهای بیولوژیکی: سیستمهای قلبی-عروقی، سیستمهای تنفسی، جریان خون و غیره.
میتوان گفت که تمامی سیستمهای مزبور الزاما با قوانین فیزیکی جرم، مومنتوم و انرژی کنترل میشوند. این موضوع گواهی است بر اینکه با پیشرفت سریع فناوریهای مهندسی، تقاضا برای محاسبات صحیح و دقیق در سیستمها به طور روزافزون افزایش مییابد. با افزایش اندازه و ابعاد سیستمهای مهندسی، شرایط عملیاتی باعث بروز محدودیتهای جدیدی میشود، در نتیجه فهم عمیق فیزیک سیستمهای جریان چند فازی به منظور اجرای عملیات ایمن و اقتصادی اجتناب ناپذیر است.
جریان فاز های آب و هوا میتواند بهصورت همسو1 و یا غیر همسو2 باشد. جریان دو فازی غیر همسو درون لوله عمودی در برجهای خنک کن، رآکتورهای هسته ای، جاذب های ذرات و غیره کاربرد دارد. برخورد هوا بهصورت غیر همسو با جریان آب، در برج های خنک کن با جریان هوای مخالف را میتوان بهعنوان یکی از مثالهای بارز در این زمینه نام برد. عموما در رژیمهای جریان غیر همسو با افزایش پیوسته هر یک از فازها حالت طغیان3 به وجود میآید و راه ورود فاز دیگر مسدود میشود و جریان از حالت غیر همسو خارج میشود .[1] این نوع جریان-ها در کانالهای افقی تنها در جریانهای لایه ای یکنواخت یا لایه ای متلاطم ایجاد خواهد شد. در لولههای عمودی نیز تنها در حالتی که فاز مایع رو به پایین و فاز گاز رو به بالا جریان داشته باشد، جریان غیر همسو تشکیل میشود.
-2 مروری بر پژوهشهای صورت گرفته
اکثر فعالیتهای انجام شده در حیطه بررسی الگوهای جریان دوفازی، بهویژه جریانهای غیر همسو بصورت آزمایشگاهی بوده است. در این بخش به برخی از پژوهشهای عددی انجام شده پرداخته میشود. لی وی و همکاران [2] الگوهای جریان دو فازی همسو و رو به بالا در کانالی عمودی را بصورت عددی مورد بررسی قرار دادند.
دو کانال با ابعاد 25×2×300 mm و 25×5×300 mm مدلسازی شدند. محدودهی سرعتهای ظاهری گاز بین 0.1-82 m/s و محدودهی سرعتهای ظاهری مایع بین 0.1-2 m/s بود. شبیهسازی عددی با استفاده از روش VOF به انجام رسید. آنها از k- بهعنوان مدل اغتشاشی استفاده کردند. بهمنظور اطمینان بیشتر از همگرایی محاسبات و قابلیت اطمینان از شبیهسازی، از گام زمانی s استفاده شد. برای یافتن تعداد گره مناسب، سه شبکه مختلف با تعداد 300000 گره - G1 - ، 570000 گره - G2 - و 1100000 گره - G3 - ایجاد شد. آنها چهار رژیم حبابی، لختهای، متلاطم و حلقوی را مشاهده نمودند.
چن و همکاران [3] رفتارهای پیچیده فیلم مایع در شرایط طغیان را در یک لوله شیبدار با استفاده از CFD بررسی کردند. رفتارهای فیلم مایع شامل مشخصههای موج دینامیکی قبل از طغیان و گذار رژیم جریان هنگام وقوع طغیان بود. آنها لولهای با طول 1 m و قطر داخلی 16 mm را بصورت دو بعدی و با نرم افزار انسیس فلوئنت 414.5 مدلسازی کردند. در آزمایش انجام شده، تاثیر کشش سطحی و لزجت مایع بهطور ویژهای مورد تحلیل قرار گرفت. مقایسههای سرعت محاسبه شده در آغاز طغیان بیانگر این بود که نتایج عددی با آزمایشگاهی از توافق خوبی برخوردار است. آنها به این نتیجه رسیدند که دو الگوی جریان اصلی در طغیان اتفاق میافتد؛ در صورت بزرگ بودن مقدار سرعت ظاهری مایع، رژیم لختهای تشکیل میشود ، در صورتیکه در سرعتهای ظاهری کم مایع، موج بین سطحی منجر به خروج مایع میشود.
تاها و کوی [4] حرکت حباب تیلور در لولههای عمودی را مورد بررسی قرار دادند. آنها توضیحات کاملی از گسترش حباب در لولههای حاوی مایعات ساکن و مایعات در جریان را بدست آوردند. در پژوهش صورت گرفته، شکل و سرعت اسلاگ، توزیع سرعت و توزیع تنش برشی محلی دیوار محاسبه شده و با نتایج پژوهشهای تجربی منتشر شده در مقالات مقایسه شدند. در این بررسی از روش VOF در نرم افزار فلوئنت استفاده شده است.
همچنین نسبت طول به قطر لوله برابر با 11 بوده، عددکورانت و گام زمانی در شبیه سازی نیز به ترتیب مقادیر 0.25و 10-3 s را دارا بودند. آنها به این نتیجه رسیدند که شکل حباب به لزجت مایع و کشش سطحی وابسته است و در لزجتهای زیاد مایع، موج ضربهای کوچکی در اسلاگ مایع مشاهده میشود. همچنین ضخامت فیلم مایع اطراف حباب تیلور در اثر افزایش کشش سطحی، کاهش مییابد. ژیانگ دونگ لیو و همکاران [5] تاثیر گرانش بر رژیم جریان دو فازی گاز - مایع در لولههای افقی را بصورت عددی مورد بررسی قرار دادند. آنها مدل ریاضی ناپایا و سه بعدی را بر اساس روش حجم سیال توسعه دادند.
الگوهای جریان و توزیع و نوسانات کسر حجمی را در لولههایی افقی با قطرهای 7 mm و 10 mm تحت گرانشهای 10 -4 g0، 0.17 g0، 0.38 g0 و - g0 = 9.8 m/s2 - g0 ارائه شدند. طول لوله نیز 70 برابر قطر آن در نظر گرفته شد. نتایج بیانگر این بود که گرانش، تاثیر بسزایی بر رژیمهای جریان، توزیع و نوسانات کسر حجمی دارد. تکاوچیچ و همکاران [6] موجهای طغیان را با استفاده از مدل دو سیالی در لوله عمودی شبیهسازی کردند. آنها با استفاده از انسیس CFX1 جریان غیر همسو را در لولهای عمودی به طول 12 cm و قطر 19 mm و بصورت دو بعدی مورد بررسی قرار دادند.
ورودی هوا در پایین لوله و ورودی آب در ارتفاع 6 cm قرار داشت. مقایسه نتایج عددی بدست آمده با نتایج آزمایشگاهی، اختلاف در فرکانسهای موجها را نشان میدهد. از فرض تقارن محوری، عدم وجود مکان برگشت موج زیر ورودی مایع و مدلسازی ورودی مایع میتوان بهعنوان سه عامل مهم در ایجاد این خطا نام برد. البته نتایج کسر حجمی آب در سرتاسر لوله در شبیهسازی انجام شده، سازگاری مناسبی با روابط تجربی در جریان متلاطم دارد.
-3 معادلات حاکم
در روشهای اویلری ردیابی سطح، برای ردیابی سطح مشترک یک معادلهی انتقال برای تابع نشانگر فاز حل می-شود. در روش حجم سیال، نشانگر فاز تابع پله است و بیانگر حجم یک فاز به حجم سلول است.
