بخشی از مقاله
چکیده
در شبیه سازی کار حاضر جریان دوفازی هوا و آب درون یک لوله عمودی به قطر داخلی 70 mm و ارتفاع 1 m مورد بررسی قرار گرفته است، که هدف پیدا کردن الگوهای جریان، با توجه به تغییر سرعت فازها در ورودی لوله، میباشد. شبیه سازی با نرم افزار متن باز اُپن فوم انجام شده است، که از روش تک سیالی برای شبیه سازی جریان استفاده کرده ایم. در این روش جریان دوفاز غیرقابل تراکم، هم دما و مخلوط نشدنی است و سطح مشترک دوفاز با استفاده از مدل حجم سیال دنبال میشود.
شبیهسازی مطابق شرایط مرزی یک کار آزمایشگاهی مشابه در لوله عمودی، انجام شده است. در ورودی سرعت فازهای گاز و مایع مشخص میباشند، در خروجی فشار اتمسفر و روی دیواره های لوله شرط عدم لغزش در نظر گرفته شده است. تمرکز اصلی تحقیق حاضر پیدا کردن الگوهای جریان مختلف با توجه به تغییر سرعت های مختلف آب و هوا در ورودی لوله میباشد. محدوده سرعت های ظاهری آب و هوا در ورودی لوله مورد نظر به ترتیب 0-1.5 m/s و 0.01-18 m/s می باشد. نوع ورودی در آزمایشگاه برای فازها حلقوی می باشد که در شبیه سازی نیز ورودی از نوع حلقوی است، که در لولهای به قطر 70 mm به دلیل اینکه جزء لولههای قطر بزرگ میباشد، الگوی جریان اسلاگ به خوبی نمیشود.
-1 مقدمه
در علم مهندسی زمینههای بسیاری وجود دارد که چندین ماده متفاوت با فازهای مختلف به گونهای با هم مخلوط میشوند که در نظر گرفتن آنها به عنوان یک جریان تک فاز کاملاً اشتباه است، مانند مخلوط روغن و آب که دو جزء کاملاً مجزا از هم هستند. لذا باید رفتار این نوع جریانها در شاخه علمی به نام جریانهای چندفازی مورد مطالعه قرار گیرد.
جریانهای دوفازی گاز-مایع درون لولههای عمودی کاربردهای مختلفی در صنعت نفت، هستهای، پتروشیمی، نیروگاه ها، فرایندهای تبرید و ... دارند. پیش بینی الگوهای جریان در این لولهها اهمیت زیادی در فرایند طراحی
لوله دارد، زیرا که کارایی فرایندهای صنعتی مورد نظر وابستگی شدیدی به الگوهای جریان دارند
برای درک بهتر و توصیف راحتتر مسائل مربوط به این جریانها و به منظور محاسبه ی پارامترهای لازم درطراحی خطوط لوله انتقال جریان های دو فازی، نظیر تعیین مقادیر افت فشار، مایعات تجمع یافته و ... درون لوله، احتیاج به تعیین صحیح و دقیق خواص هر کدام از فازهای جریان می باشد
بررسی کارهای گذشته نشان میدهد که تا کنون مطالعات زیادی در زمینه تعیین الگوهای جریان دوفازی مایع-گاز همسو درون لوله های عمودی با قطر و طولهای مختلف انجام شده، که البته اکثر این مطالعات به صورت آزمایشگاهی بوده و کمتر به صورت عددی به بررسی رفتار الگوهای جریان دوفازی درون لوله های عمودی به خصوص لولههای قطر بزرگ، پرداخته شده است.
برای پیشبینی الگوهای جریان دوفازی و گذر بین آنها درون لولهها، از سه روش آزمایشگاهی، تئوری و عددی استفاده میکنند. در ادامه به مروری بر پیشنه چند کار انجام شده در زمینه جریانهای دوفازی گاز-مایع، به روشهای آزمایشگاهی، تئوری و عددی پرداخته خواهد شد.
یاماگوچی و یامازاکی[3]؛ الگوهای جریان به سمت بالا درون لوله های عمودی در دوحالت جریان موازی و جریان مخالف، در قطرهای 40 mm و 80 mm برای جریان دوفازی آب-هوا را بررسی کردند. در این بررسی سرعتهای ظاهری آب و هوا به ترتیب 0-1 m/s و 0-1/2 m/s میباشد، که آنها در مطالعهشان فقط الگوهای حبابی و اسلاگ را مشاهده کردند.
انصاری و همکاران[4]؛ الگوهای جریان به سمت بالا درون لولههای عمودی در حالت جریان موازی، در قطرهای 40 mm و 70 mm برای جریان دوفازی آب-هوا را بررسی کردند. که برای لوله 40 mm الگوهای حبابی، اسلاگ، متلاطم و حلقوی و برای لوله 70 mm الگوهای حبابی، اسلاگ، متلاطم، شبه - حلقوی و حلقوی شناسایی شدند.
در روشهای تئوری، روابط بر مبنای تئوری برای لولههایی با مقیاس کوچک و یا بزرگ گسترش پیدا کردهاند که تعریف مقیاس در هر حالت بر اساس معیاری است که به خواص فیزیکی جریان وابسته است. به طور کلی میتوان لولهها را به دو دسته کوچک و بزرگ تقسیمبندی کرد، که لولههایی »کوچک مقیاس« نامیده میشوند که در رابطه 1 صدق کنند.
در رابطه 9، D قطر داخلی لوله، ضریب کشش سطحی بین دو فاز، g شتاب گرانشی و به ترتیب چگالی فازهای مایع و گاز هستند. برای فاز مایعِ آب و فاز گازِ هوا در شرایط محیط - دمای c 25 و فشار - 1 atm ضریب کشش سطحی برابر با 0.072 N/m، چگالی آب برابر 997 kg/m3 و چگالی هوا دارای مقدار kg/m3 1.184 میباشد، بنابراین برای جریان دوفازی هوا و آب لولههایی با قطر داخلی کمتر از 50 mm جزء لولههای کوچک و لولههای با قطر بیشتر از 50 mm جزء لولههای بزرگ به حساب میآیند.
پوریوسفی و همکارانش [6]، الگوهای جریان دوفازی هوا و آب را درون لوله های عمودی با استفاده از روش منطق فازی و الگوریتم ژنتیک بررسی کردند. آنها از دو روش حجم سیال و اویلرین برای شبیه سازی جریان دوفازی استفاده کردند. همچنین چهار مدل توربولانسی را مورد بررسی قرار دادند، که نتیجه گرفتند مدل توربولانسی − , نسبت به سایر مدلهای توربولانسی جواب دقیقتری میدهد. از روش آنالیز تصویر برای بدست آوردن الگوهای جریان استفاده کردند، که نتایج بدست آمده نشان داده که روش منطق فازی به خوبی الگوهای جریان دوفازی را پیش بینی میکند.
-2 مدل سازی عددی
در تحقیق حاضر جریان دوفازی آب و هوا درون لوله ای عمودی به قطر 70 mm به صورت غیر قابل تراکم، هم دما و مخلوط نشدنی با روش پی گیری سطح حجم سال شبیه سازی شده است، که در این بخش ابتدا معادلات حاکم بر جریان دوفازی و در ادامه هندسه جریان و شرایط مرزی مساله را بیان شدهاند.
-1-2 معادلات حاکم
در این پژوهش از روش حجم سیال برای شبیه سازی عددی جریان دوفازی گاز-مایع استفاده شده است. مدل حجم سیال قابل استفاده برای مدلسازی دو یا چند سیال مخلوط نشدنی با حل یک مجموعه معادلات شامل یک معادله مومنتوم، پیوستگی و ردیابی سطح مشترکٌ هر کدام از فازها در کل دامنه میباشد .معادلات استفاده شده در روش حجم سیال برای جریان دوفازی به ترتیب زیر می باشند.
معادله پیوستگی: با فرض عدم وجود چشمهٍ و انتقال جرم بین دو فاز گاز و مایع، معادله پیوستگی جریان به صورت رابطه 2 میباشد.
که در آن ρ چگالی و سرعت مخلوط سیال است. با فرض تراکمناپذیر بودن فازها معادله پیوستگی به صورت رابطه 3 بازنویسی میشود.
نیروی Fs که به عنوان ترم منبع به معادله مومنتوم اضافه شده، ناشی از کشش سطحی موجود در سطح مشترک دوفاز است، برای محاسبه نیروی کشش سطحی از مدل نیروی سطحی پیوسته - - CSF استفاده میشود، که با استفاده از این مدل نیروی کشش سطحی به صورت رابطه 5 تعریف میشود.
σ کشش سطحی روی سطح مشترک میباشد، که در جهت عمود بر سطح در نظر گرفته و محاسبه میشود. k انحنای سطح مشترک است که بهصورت رابطه 6 بیان میشود:
خواص جریان دوفازی، مانند چگالی و لزجت با استفاده از میانگین حجمی، مطابق رابطه 8 محاسبه میشوند.
آلفا - - َ یک پارامتر اسکالر است، که معرف کسر حجمی جریان دوفازی در هر سلول محاسباتی میباشد. اگر سلول فقط حاوی فاز مایع باشد = 1 و اگر فقط حاوی فاز گاز باشد = 0 است. همچنین اگر سلول حاوی سطح مشترک دو فاز باشد مقدار کسر حجمی 0 < < 1 میباشد.
