بخشی از مقاله
چکیده
حرکت فیلم مایع نازک بر روی یک دیواره سطح جامد به همراه جریان گاز در بسیاری از مسائل مهندسی رخ می دهد. به عنوان مثال در لوله های انتقال سیالات که در معرض انتقال حرارت قرار می گیرند، جریان مه آلود و یا توپی درآن رخ می دهد یا در موتورهای احتراق داخلی زمانی که سیال مایع به عنوان یک فیلم مایع بر روی سطح سیلندر اتمیزه می شود و جریان هوا از روی آن عبور می کند یک نیروی برشی به آن اعمال می کند که می تواند باعث جدایی شود. جدایی فیلم مایع از روی سطح جامد به عواملی همچون هندسه، سرعت فاز گاز، دبی فیلم و زاویه بستگی دارد. فیلم مایع روی یک سطح عمودی یا مورب تحت تأثیر نیروی جاذبه به طرف پایین حرکت می کند اما روی سطوح افقی با توجه به عدد وبر می تواند روی سطح جریان یابد.
دینامیک فیلم مایع و ویژگی های انتقال حرارت آن خیلی پیچیده و تعیین فیزیک آن نیاز به مطالعات اساسی دارد. دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - روش مورد استفاده در این مقاله است. از نرم افزار STAR-CCM+برای حل معادلات پیوستگی، ممنتوم و انرژی با حل لاگرانژی- اویلری استفاده شده است. اثر شار حرارتی ثابت و تغییر زاویه مورد بررسی قرار گرفت .
در این شبیه سازی با نرم افزارSTAR-CCM + جریان آرام فیلم مایع دو جزئی با مقدار مساوی از هر جزء را در یک کانال عمودی مورب عبور داده، عدد ناسلت قطرات و عدد رینولدز قطرات را بررسی می کنیم. به این نتیجه می رسیم که با افزایش شار حرارتی در یک زاویه ثابت مقدار کسر جرمی جدا شده اتیلن-گلیکول افزایش یافته و همچنین با افزایش زاویه هندسه عدد ناسلت و رینولدز قطرات کاهش می یابد. این تحقیق اولین مطالعه ای است که جریان فیلم مایع در هنگام عبور از یک لبه صلب تیز در یک کانال عمودی را بررسی می کند.
-1 مقدمه
لایه نازک فیلم مایع در بسیاری از کاربردهای مهندسی از قبیل اسپری کردن، خنک کردن سطوح، جت سیال، سیستم های روانکاری، بلبرینگ ها، در سطوح داخلی موتور های احتراق داخلی و توربین های گازی رخ می دهد. بررسی فیلم مایع و نقش آن در فرآیند های مهندسی در دهه های اخیر موضوع تحقیقات بسیاری از محققین بوده است چرا که این لایه نازک اهمیت فراوانی در مهندسی دارد بخصوص در فرآیند های انتقال حرارت که یکی از مهمترین کاربردهای علم مهندسی می باشد. اثرات فیلم مایع به رفتار قطرات با دیواره و دمای دیوار، سرعت ورودی قطرات، زبری سطح، چگالی، ابعاد قطرات، زاویه برخورد، هندسه و خواص سیال همانند کشش سطحی و لزجت بستگی دارد.
2-1 تاریخچه کارهای انجام شده
شی و همکاران [1] از یک مدل ردیابی سطح آزاد تک فازی بر اساس روش شبکه بولتزمن با قابلیت شبیه سازی سیستم مایعBگاز - با فرض اینکه فاز گازی در داخل مایع نفوذ نمی کند - برای شبیه سازی تأثیر یک قطره بر روی یک فیلم مایع استفاده کردند. سه پدیده معمولی در جریان شامل رسوب، برخورده ذره بر فیلم و شکل گیری تاج مانند که در آزمایشات گذشته مشاهده شده است با شبیه سازی سه بعدی عددی بدست می آمد. آنها به این نتیجه رسیدند که در اعداد رینولدز و وبر مختلف این شبیه سازی با نتایج آزمایشگاهی تطابق دارد.
کیو و همکاران [2] یک بررسی عددی بر روی ویژگی های ضخامت فیلم در یک لوله افقی خیس انجام دادند و یک جریان چند فازی دو بعدی برای این شبیه سازی تحت شرایط آدیاباتیک فرض کردند و به این نتیجه رسیدند که با افزایش عدد رینولدز ضخامت فیلم مایع نیز افزایش پیدا می کند.
آلا و همکاران [3] یک مطالعه عددی برای بررسی تبخیر در جابجایی مختلط از فیلم مایع اتیلن- گلیکول و پروپیلن-گلیکول انجام دادند. آنها از مدل معادلات کوپل شده شرایط ورودی و مرزی یکسان برای هر دو فاز استفاده کرده و لذا از روش TDMA بهره گرفته اند. آنها تأثیر دمای فیلم مایع ورودی و فشار جریان گاز ورودی را مورد مطالعه قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که تبخیر پروپیلن-گلیکول در روش مشابه از اتیلن-گلیکول بیشتر است. علاوه بر عملکرد سیستم، انتقال حرارت برای حالت نهان اهمیت بیشتری از حالت محسوس دارد. نتیجه دیگر آنها این بود که تبخیر اتیلن-گلیکول برای یک سیستم با دمای فیلم مایع ورودی بالاتر بهبود می یابد.
کی و همکاران [4] تحقیقاتی آزمایشگاهی و عددی بر روی انتقال حرارت آب شیرین کن دریا با فیلم مایع بیرونی در لوله های بیضوی انجام دادند. آزمایشات نشان دادند که ضخامت فیلم مایع بیرونی در لوله های بیضوی در حدود 1/5 میلیمتر است و شبیه سازی عددی با داده های تجربی تطابق خوبی دارد و حداکثر انحراف نتایج عددی در حدود8 درصد است. همچنین نتایج آزمایشگاهی نشان دادند که ضریب انتقال حرارت برای لوله های بیضوی با ضخامت فیلم 1/5 میلیمتر در حدود 20 تا 22 درصد در مقایسه با لوله های دایروی بیشتر است.
رحمان و همکاران [5] شبیه سازی عددی جریان سیال و انتقال حرارت در یک فیلم مایع باریک در روی یک دیسک افقی چرخشی را انجام دادند. آنها محاسبات را برای دبی های جریان و سرعت های چرخش مختلف با استفاده از یک سیستم مختصات سه بعدی ثابت شده بر روی جسم انجام دادند. ضخامت فیلم محاسبه شده با داده های تجربی مطابقت خوبی داشت. آنها به این نتیجه رسیدند که با افزایش چرخش، ضریب انتقال حرارت افزایش می یابد.
پدیده برخورد اسپری در دیواره سیلندر تأثیر قابل توجهی در فرآیند احتراق در موتور های احتراق داخلی دارد. ژانگ و همکاران [6] بیان کردند که فرآیند برخورد اسپری/دیوار به مشخصات فیزیکی قطرات، حرکت هوا و شرایط دیوار بستگی دارد. آنها از روش VOF و مدل دیوار خیس برای شبیه سازی عددی فرآیند برخورد بین میکرو ذارت و دیوار استفاده کردند
