بخشی از مقاله
چکیده
جدا کنندههای سانتریفیوژی نقش مهمی در جداسازی ذرات معلق در گازها و مایعات دارند. جداکننده های سیکلونی گاز به طور گسترده در صنعت برای جداکردن گرد و غبار از گاز و یا برای بهبود محصول، به دلیل سادگی هندسه و اقتصادی نسبی در مصرف برق مورد استفاده قرار میگیرند. در این پژوهش مدلسازی عددی جریان گردابه در سیکلونهای نمزدا به روش دینامیک سیالات محاسباتی انجام شده است. هدف از این مدلسازی، مقایسه مدلهای توربولانسی آر- اس- ام، آر- ان- جیکی اپسیلون و ال- ای- اس در حالت پایدار و ناپایدار می-باشد. معادلات فاز پیوسته از روش حجم محدود گسسته سازی شده و برای ارتباط بین معادلات پیوستگی و مومنتوم از الگوریتم سیمپل ارائه شده توسط پاتانکار استفاده شده است.
در این شبیه سازی، جریان بصورت توربولانس، تراکمناپذیر، سهبعدی، تکفاز و غیرلزج درنظرگرفته شده است. نتایج نشان میدهد که درحالت پایدار مدل توربولانسی آر - اس - ام نسبت به مدل آر - ان - جی کی اپسیلون و در حالت ناپایدار مدل ال - ای - اس نسبت به مدل آر - اس - ام ارجحیت دارد. نتایج بدست آمده نشان میدهد که مدل ال- ای- اس، یک رویکرد مناسب برای مدلسازی اثر ابعاد سیکلون روی میدان جریان و عملکرد آن می-باشد. در این پژوهش برای مدلسازی از نرم افزار سالید ورکس، برای شبکه بندی و تحلیل جریان از نرمافزار فلوئنت و به منظور پردازش نتایج از نرم افزارهای سی - اف - دی پست و تک پلات بهره گیری شده است .
-1 مقدمه
جداکنندههای سیکلونی در صنعت به طور گسترده برای جداسازی ذرات استفاده میشود. عملکرد این جداکننده ها به گونه ایست که با استفاده از نیروی گریز از مرکز، ذرات را از جریان گاز جدا میکنند. مزایای اصلی سیکلون-ها مقرون به صرفه گی، سادگی در ساخت و ساز و سازگاری با طیف گستردهای از شرایط عملیاتی میباشد. جریان در سیکلونهای جداکننده پیچیده، همراه با چرخش بالا و کاملا سه بعدی است. این امر منجر به بسیاری از تحقیقات به منظور درک اثر هندسه و پارامترهای مختلف بر عملکرد و ویژگی های هیدرودینامیک سیکلون-های جداکننده شده است.[1]
در این نوع سیکلونها جریان ورودی به صورت مماس به بدنه استوانهای سیکلون از بالای محفظه وارد میشود، سپس با ورود جریان به درون استوانه دستگاه جریان از حالت مستقیم به حالت چرخشی در میآید. با توجه به هندسه سیکلون این جریان بین دیواره داخلی سیکلون و دیواره دهانه خروجی ایجاد شده و به سمت پایین حرکت میکند. به این جریان ورتکس اصلی گفته میشود. ورتکس اصلی حتی پایین تر از دهانه خروجی ادامه یافته و تا انتهای محفظه حرکت میکند. سرعت محوری این جریان در نزدیکی انتهای سیکلون معکوس میشود و جریان ورتکس با حفظ جهت چرخش خود به سمت بالا ایجاد میگردد. بنابراین، جریان ورتکس ثانویهای در هسته سیکلون ایجاد شده که جهت حرکت آن رو به بالا و به سمت دهانه خروجی خواهد بود. شکل 1 شمای کلی یک جداکنندهی سیکلونی را نشان میدهد.
دو عامل مهم که در تعیین عملکرد سیکلون در نمونههای آزمایشگاهی نادیده گرفته میشود ناپایداری و وجود تقارن در سیکلون است. فرایندهای زیادی مثل اغتشاش، جریان معکوس و چرخش در سیکلون روی می دهد که مدل های تجربی این فرایندها را شامل نخواهند شد. دینامیک سیالات محاسباتی می-تواند با دقتی مطلوب جهت تحلیل رفتار هیدرودینامیکی سیکلونها بهکار گرفته شود. انتخاب مدل مناسب و روشهای عددی جهت دستیابی به نتایج دقیق امر ضروری است.
بدنه اصلی مقالات
الساید و لکور درباره اثر ابعاد گرداب یاب در سیکلون بر الگوی جریان و عملکرد آن با استفاده از ال - ای - اس مقاله ای ارائه دادهاند. در این تحقیق اثر ابعاد گرداب یاب - قطر و طول آن - بر عملکرد و الگوی جریان در9 سیکلون جداکننده به صورت محاسباتی با استفاده از شبیه سازی گرداب بزرگ - ال - ای - اس - بررسی شد. مدل تلاطم به شبیه سازی گرداب بزرگ با استفاده از الگوریتم ضمنی کوپل شده همراه شده است .[1]
یانگ و همکاران به مطالعه عددی افزایش جداسازی توسط آرایش ذرات روی مینی هیدروسیکلونها پرداختند. مینی هیدروسیکلونها براساس بهترشدن جداسازی ذرات ریز با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی طراحی شده است. این مقاله براساس آرایش ذرات در ورودی مینی هیدروسیکلونها پایه گذاری شده است.[2] گرونالد و همکاران جریان تک فاز سیکلون گازی را با مدلهای توربولانسی میانگین تنش رینولدز ناویراستوکس و شبیه سازی گردابههای بزرگ، تحلیل کردند. جهت صحتسنجی، نتایج را با مدل آزمایشگاهی موجود در ادبیات پیشین مقایسه شد.[3]
ژائو و همکاران الگوی جریان و راندمان جدایش برای سیکلون با یک ورودی و دو ورودی را مدلسازی نموده یکی برای توصیف عملکرد سیکلون ها با ورودی معمولی تک و دیگری برای توصیف عملکرد سیکلونهای دارای دو ورودی مارپیچ به کار گرفته شده است. در این پژوهش معادلات ناویر استوکس در اعداد رینولدز متوسط با مدل توربولانس تنش رینولدز برای جریان سیال با استفاده از روش حجم محدود بر اساس الگوریتم تصحیح فشارسیمپل در دامنه محاسباتی سیال حل شده است. روش لاگرانژی نیز برای بررسی حرکت ذرات و محاسبه راندمان جدایی گاز - ذرات در سیکلونها بکار برده شد.[4]
چواها و همکاران به بررسی عددی اثر ابعاد مخروط بر روی عملکرد و هیدرودینامیک سیکلونها پرداختند. هدف از این کار به کار گیری دینامیک سیالات محاسباتی به منظور بررسی اثر ابعاد مخروطی بر عملکرد هیدرودینامیک و نیروهای گریز از مرکز نمونه - سیکلون گاز - می باشد. مشکل مدلسازی جریان چرخشی بالا با استفاده از یک مدل تلاطم جبری غلبه یافته و سرعت محوری و مماس در یک سیکلون با موفقیت شبیه سازی شد.[5]
قاسمی و همکاران مدلسازی سیکلون جدا کننده گاز- مایع و بهینه سازی پارامترهای هندسی تاثیرگذار، بررسی کردند. در این مطالعه به بررسی عملکرد جداکننده گاز- مایع استوانهای و تأثیر تغییر پارامترهای هندسی ورودی سیکلون و شبیه سازی آنها به روش دینامیک سیالات محاسباتی پرداخته شده است. پس از انتخاب شبکه بندی مناسب برای هندسه ی سیکلون، تأثیر تغییر پارامترهای هندسی ورودی بر مقدار حمل مایع از بالا و مقدار حمل گاز از پایین مطالعه گردید.
پارامترهای هندسی به خصوص هندسهی ورودی تأثیر به سزایی در بهبود عملکرد سیکلون نشان داد. در این طراحی، سطح مقطع ورودی، زاویهی ورودی و ارتفاع ورودی از کف سیکلون به طور همزمان بهینه شد. از مدل آر- اس- ام برای شبیهسازی جریان آشفته استفاده شده و جریان دوفازی نیز با استفاده از روش اویلر- اویلر مدل سازی گردید.[6] در این پژوهش مدلسازی عددی جریان گردابه در سیکلون به روش دینامیک سیالات محاسباتی انجام شده است. برای تحلیل جریان از سه مدل توربولانسی آر- اس- ام، آر- ان- جی کی اپسیلون و آل- ای- اس در حالت-های پایدار و ناپایدار استفاده شده و برای پیدا کردن بهینهترین مدل توربولانسی در تحلیل جریان سیکلون، مدل-ها مورد مقایسه قرار گرفتهاند.
معادلات حاکم
معادلات حاکم بر جریان گاز در یک سیکلون، معادلات پیوستگی و مومنتوم است که در یک سیستم مختصات غیرشتابدار در حالت پایدار و غیرقابل تراکم به ترتیب به شکل روابط - 1 - و - 2 - نوشته میشوند: این نکته قابل ذکر میباشد که تجزیه جریان به دو قسمت متوسط و نوسانی، نیاز به حل دوباره مولفه های نوسانی جریان را جهت محاسبه مقادیر متوسط برطرف می نماید .سیستم معادلات شامل تانسور درجه دوم̅̅̅̅̅̅̅̅ که معمولا تانسور تنش رینولدز نامیده میشود، میباشد تمام اثرات حرکت مغشوش سیال در این ترم قرار گرفته است .[7]
در مجموع ده مجهول وجود دارد - سه مؤلفه مجهول سرعت، یک مؤلفه فشار و شش مؤلفه تنش رینولدز - که تنها چهار معادله - پیوستگی و سه معادلات مومنتوم - جهت پوشش دهی موجود است. بنابراین به شش معادله دیگر برای کامل شدن حل مساله نیاز است. بسته به روشی که تانسور تنش رینولدز مورد ارزیابی قرار گیرد دو طبقه بندی اصلی وجود دارد که عبارتند از: مدل های لزجت گردابه ای1 و مدل تنش رینولدزی2 تانسور تنش رینولدز که از میانگین گیری زمانی معادلات ناویراستوکس بهدست میآید و توسط جایگزینی آن با حاصلضرب لزجت گردابه ای در گرادیان های سرعت کامل میگردد .به این روش فرض بوزینسک3 گفته میشود.
