بخشی از مقاله
چکیده
مطالعه پدیده اسپری به کنترل بیشتر قطر قطرات خروجی از نازل میانجامد. شکست قطرات بسته به دبی حجمی و سایر خواص و مشخصات فیزیکی در رژیمهای مختلفی اتفاق میافتد که کاملا با هم متفاوت میباشند. در این پژوهش به بررسی شبیهسازی عددی خروج سیال از نازل در رژیم چکیدن پرداخته میشود. برای ردیابی سطح مشترک از روش سطح تراز و برای اعمال پرش خواص سیال در سطح مشترک از روش سیال مجازی استفاده میشود.
نتایج شبیهسازی با نتایج عددی موجود، مقایسه و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. مقایسه نتایج با نتایج عددی دقت روش به کار گرفته شده را تایید میکند. هدف از انجام این پژوهش، تعیین رفتار جت خروجی و زمان شکست جت به قطرات ریزتر در اعداد وبر مختلف است. با تغییر عدد وبر این نتیجه حاصل شد که شکست جت به قطرات ریزتر در اعداد وبر بالاتر سریعتر اتفاق میافتد و هر چقدر عدد وبر کمتر شود زمان شکست طولانیتر خواهد شد.
-1 مقدمه
جریانهای مختلف سیالات دوفازی به طور گستردهای جوانب مختلف زندگی بشر را احاطه کرده است که این موضوع توجه دانشمندان را به بررسی این جریانها معطوف کرده است. پیچیدگی و غیرقابل پیشبینی بودن رفتار سیالات در بسیاری از پدیدههای مهندسی باعث شده است که تجزیه و تحلیل این پدیدهها جز با افزایش دانش و فهم عمیقتر علم مکانیک سیالات و جامدات امکانپذیر نباشد.
مهمترین علامت مشخصه جریانهای دو فازی وجود فصل مشترک بین فازهای گاز و مایع میباشد. این فصل مشترک دارای اشکال مختلفی میباشد. تقریبا امکان پیدایش یک دامنه نامحدود از فصل مشترک مختلف بین دو فاز وجود دارد اما عموما تاثیر کشش سطحی بین دو فاز منجر به پیدایش فصلهای مشترک مختلف منحنی شکل شده که نهایتا تمامی آنها تبدیل به اشکال کروی - نظیر قطرهها و حبابها - میشوند.
با توجه به اهمیت شناخت فرآیندهای چند فازی در صنایع مختلف از قبیل نفت، گاز و پتروشیمی و وجود خطرات ناشی از تغییر فاز از قبیل کاویتاسیون1، شناخت جریانهای چند فازی و مدل کردن آنها امروزه بسیار حائز اهمیت میباشد. شکسته شدن مایع پیوسته به قطرات ریز یا اصطلاحا فرایندهای شکست مایع و اتمیزه شدن مایع در بسیاری از کاربردهای مهندسی نظیر تزریق سوخت در محفظه احتراق موتورها ی جت و احتراق داخلی ظاهر میشود.
اندازه قطرات سوخت روی بازده موتور تاثیر بسزایی دارد .[1] یکی از موضوعات جالب در زمینه مهندسی-پزشکی، استفاده از انژکتورهای نانوجت و میکروجت برای کنترل داروهای وارده به بدن است که طول شکست مایع ارتباط مستقیم با عمق نفوذ دارو در بدن بیمار دارد .[2-3] رتلند2 و همکاران [4] تجزیه جت مایع به ذرات کوچک را به صورت عددی و تجربی مورد مطالعه قرار دادند. آنها از یک تئوری غیرخطی برای محاسبه مشخصات امواج روی سطح جت بهره بردند. آنها همچنین حجم قطرات ثانویه را پیشبینی کردند و ملاحظه کردند که حجم قطرات به صورت عددی و تجربی مطابقت دارد.
منصور 1 و همکاران [5] ناپایداری جت غیرویسکوز در هوا را مورد مطالعه قرار دادند. آنها در تحقیق خود از روش انتگرال مرزی2 جهت شکست قطرات و تشکیل قطرات ماهوارهای استفاده کردند. جهجدی3 و همکاران [6] بر روی شکسته شدن رشتهی بلندی بین جت و قطره جدا شده از مایع خروجی از نازل به روش انتگرال مرزی تحقیق کردند و تغییرات رشته مایع را به عنوان تابعی از نسبت ویسکوزیته مایعها و اعداد بدون بعد بیان نمودند.
فلیچر4 و همکاران [7] یک جت سیال که مایع را به صورت آرام به یک تانک مایع در حال سکون تزریق میکند به صورت عددی بررسی کردند. آنها از سه کد محاسباتی مختلف المان محدود، حجم محدود و کد جریان چند فازی چیمز5 که برای مطالعهی مخلوط کردن مذاب گرم و مایع فرار سرد استفاده میشود، بهره بردند و نتایج را با هم مقایسه کردند و مشاهده کردند که نتایج انطباق خوبی دارند. آنها همچنین حساسیت مساله نسبت به شرایط مرزی را بررسی کردند.
شیباتا6 و همکاران [ 8] شکست جت مایع غیرلزج که از یک نازل خارج میشد را با استفاده از روش 7MPS مطالعه کردند و توزیع اندازهی قطرات تشکیل شده را بدست آوردند. آن-ها نتیجه گرفتند که طول شکست جت متناسب با عدد وبر8 و عدد فرود 9 است و به نتایج آزمایشگاهی بسیار نزدیک است. دسجاردین10 و همکاران [9] اتمیزه کردن جریان دو فازی آشفته تراکم ناپذیر را به صورت عددی مورد بررسی قرار دادند. آنها از روش سطح تراز11 و روش سیال مجازی12 استفاده کردند.
هما13 و همکاران [ 10] بطور عددی بر روی شکسته شدن یک جت آرام به قطرات در سیستمهای مایع- مایع بوسیلهی روش تفاضل محدود و ردیابی جبهه با مختصات استوانهای متقارن تحقیق کردند.. آنها با تغییر خصوصیات سیال رژیمهای مختلف را بررسی کردند و تاثیر عدد وبر و نسبت چگالیها را در تشکیل هر رژیم مورد مطالعه قرار دادند. چه14 و همکارانش [11] تشکیل و شکست قطره آب را مورد بررسی قرار دادند و بیان کردند که به دلیل تغییر اندازه قطر قطرهی سیال، به هنگام خروج از نازل، فشار درون قطره تغییر میکند.
آنها در مطالعه خود حرکت سطح مشترک را با استفاده از روش سطح تراز دنبال کردند و نوسان در فشار درون سیال را مورد مطالعه قرار دادند و نتایج خود را با نتایج تجربی مقایسه کردند. آنها همچنین تاثیر کشش سطحی را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که با افزایش کشش سطحی، تغییرات فشار بیشتر میشود و جدا شدن قطره دیرتر رخ میدهد. هوفلر15 و همکاران [12] شبیهسازی بر روی شکست جت مایع که از یک مخزن بر اثر نیروی گرانش تخلیه میشد را با روش 16SPH انجام دادند. آنها شبیهسازی را به صورت دو بعدی و سه بعدی انجام دادند و تاثیر کشش سطحی را بررسی کردند.
چاکرابورتی17 و همکاران [13] خروج مایع نیوتنی از یک نازل عمودی تحت جریان یکنواخت به درون هوا را به صورت تقارن محوری با روش ترکیبی سطح تراز و حجم سیال شبیهسازی کردند. آنها رژیم چکیدن و جت شدن را با تغییر عدد وبر مورد مطالعه قرار دادند و مشاهده کردند که با تغییر عدد وبر، زمان شکست قطرات و رفتار مایع خروجی از نازل تغییر میکند. در این پژوهش خارج شدن سیال از یک نازل در رژیم چکیدن1 مورد بررسی قرار میگیرد. هدف از این پژوهش تعیین رفتار جت خروجی و زمان شکست جت به قطرات ریزتر در اعداد وبر مختلف به کمک روش سطح تراز و روش سیال مجازی میباشد.
