بخشی از مقاله
چکیده:
در این تحقیق، فرآیند جدایش مغناطیسی ذرات مگنتیتی - به صورت پالپ همراه با آب - در داخل لوله آزمایشگاهی شبیهسازی و با نتایج آزمایشگاهی اعتبارسنجی گردید. ابتدا شبیهسازی میدان مغناطیسی یک آهنربای دائمی در شبیه ساز FEM پایه COMSOL Multiphysics انجام گردید و اعتبارسنجی نتایج شبیهسازی با اندازهگیری آزمایشگاهی میدان مغناطیسی بررسی شد. سپس شبیه سازی جریان سیال با استفاده از شبیه ساز FLUENT با اعمال نیروی مغناطیسی حاصل از میدان مغناطیسی خارجی توسط فراخوانی متغیرهای میدان مغناطیسی به شبکه CFD و کدنویسی نیروی مغناطیسی خارجی با استفاده از تابع تعریف شده توسط کاربر، انجام شد. مقایسه نتایج شبیهسازی و آزمایشگاهی نشان داده است که با خطای کمتر از 3/5 %، روش شبیهسازی تلفیقی FEM-CFD قادر است فرآیند جدایش مغناطیسی را با دقت قابل ملاحظه ای پیشبینی نماید.
-1 مقدمه
تقاضا برای تکنیکهای جدایش کاراتر - از نظر فنی - و پاکتر - از نظر زیستمحیطی - مواد معدنی مختلف به شدت در حال رشد است و این در حالی است که منابع معدنی به تدریج کاهش یافته و محدودیتهای زیست محیطی افزایش یافته است. در چنین شرایطی، جدایش مغناطیسی به عنوان تکنیک ساده و ارزان، با کارایی بالایی عمل کرده است. از آن جایی که جدایش مغناطیسی، فرآیندی سریع و تمیز می باشد به سایر روشها و تکنیکهای جدایش ترجیح داده می شود.
روش مغناطیسی برای جدایش مواد مغناطیسی از باطلههای غیرمغناطیسی [2]، جدایش کانه بی ارزش از کانه مورد نظر و پرعیارسازی کانسنگ کمعیار 3]، 4 و [5، جدایش سلولهای بیولوژیکی و رساندن دارو به محل خاصی از بدن [6] و تصفیه پساب [7] و موارد متعدد دیگر مورد استفاده قرار گرفته است. در این راستا واحدهای جدایش مغناطیسی دچار تغییرات طراحی متعددی شدهاند تا نیازهای صنعت را برآورده سازند.
ماشینها یا جداکنندههای مغناطیسی بایستی به صورت پیوستهای کار کنند که در این شرایط، ذرات در حالی که در یک جریان پیوسته حرکت میکنند، تحت تاثیر یک میدان مغناطیسی نیز قرار میگیرند. در این میان طراحی مکانیکی جداکننده مغناطیسی از اهمیت بسیاری برخوردار است که این اهمیت ناشی از زمان ماند ذرات و اثر ضعیف میدان مغناطیسی بر روی ذرات ریز میباشد.
به منظور فهم فرآیند جدایش و تعیین مشخصات طراحی، مدل ریاضی فرآیند اغلب مفید خواهد بود. بررسی دقیق تحقیقات در این زمینه نشان می دهد که کارهای بسیار کمی در زمینه توسعه یک مدل مقاوم انجام شده است. مدل اویلرین- لاگرانژی1، ارایهشده توسط سیدو2، شناخت کلی از رفتار جداکننده مغناطیسی را به دست میدهد. مدل یادشده توزیع نیروها در میان صفحات شیاردار را توصیف میکند، علاوه بر این پروفیلهای سرعت سیال و مسیر حرکت ذرات در مدل یادشده مورد بررسی قرار گرفته است.
با توجه به اینکه عملکرد واحدهای جداکننده مغناطیسی بر نیروهای مغناطیسی، هیدرودینامیکی، ثقلی و نیروهای بین ذرهای استوار است، در سال 2011، در حوزه جدایش مغناطیسی از مدل ریاضی - بر مبنای روش - CFD به منظور فهم بهتر فرآیند جدایش و دنبال کردن رفتار جدایش مغناطیسی ذرات مطالعاتی صورت گرفت. در این تحقیق سعی بر آن شده است تا رفتار جریان ذرات مغناطیسی و غیرمغناطیسی مورد بررسی قرار گرفت این مدل بر اساس روش اویلرین- اویلرین و برای 3 فاز در نظر گرفته شد 2 - فاز جامد و یک فاز مایع - و به منظور جدایش ذرات در جداکننده مغناطیسی توسعه داده شده است و در نهایت عیار ذرات جامد در نواحی مختلف صفحات توسط مدل پیشبینی گردید.
از سوی دیگر و با توجه به اینکه مشخصات سوسپانسیونهای مغناطیسی وابسته به سیال، ذرات و میدان مغناطیسی زمینه میباشد، لذا در سال 2013 نیز مطالعهای در زمینه استفاده ترکیبی از روش های DEM، CFD و FEM در شبیهسازی سوسپانسیون مغناطیسی در جداکننده تر مغناطیسی شدت بالا انجام شد. در این بررسی، در ابتدا نیروهای مغناطیسی خارجی با استفاده از روش اجزاء محدود محاسبه و سپس شبیه سازی گردید و خروجی حاصل توسط روش دینامیک سیالات محاسباتی مورد استفاده قرار گرفت. همچنین به منظور اعمال نیروهای متقابل بین ذره ای، روش المان گسسته - DEM - به کار گرفته شد.
در این تحقیق، شبیهسازی فرآیند جدایش مغناطیسی ذرات مگنتیتی - به صورت پالپ همراه با آب - در داخل لوله آزمایشگاهی مورد بررسی قرار میگیرد. روند شبیهسازی بدینصورت بوده است که در ابتدا میدان مغناطیسی توسط شبیه ساز FEM پایه، مدلسازی و سپس اعتبارسنجی شده است. سپس جریان سیال با استفاده از CFD و بهکارگیری روش - مدل فازمجزاء - شبیهسازی شده است. همچنین جهت اعمال نیروهای مغناطیسی ، متغیرهای میدان مغناطیسی به شبکه CFD انتقال داده شده و از طریق کدنویسی تابع تعریف شده توسط کاربر در شبیهسازی در نظر گرفته شده است.
-2 توصیف مدل
به طور کلی دو رویکرد جهت بررسی جریان چندفازی وجود دارد :
· رویکرد اویلری- لاگرانژی
· رویکرد اویلری- اویلری
مدل فاز مجزاء لاگرانژی در شبیهساز ANSYS Fluent از رویکرد اویلری- لاگرانژی استفاده میکند. فاز سیال با معادله ناویر- استوکس حل میشود. در حالی که فاز مجزاء به وسیله ردیابی تعدادی ذره به عنوان ذرات نماینده ذرات کل محاسبه میگردد. مسیر حرکت فاز مجزاء ذره به وسیله بالانس مجموع نیرو پیشبینی می-شود. این نیرو در مختصات کارتزین به صورت رابطه 1 نمایش داده می شود:
که در آن F نماینده سایر نیروهای موثر بر حرکت ذره مانند گرانش و یا نیروی الکترومغناطیس است و نیروی درگ FD - u-up - برای هر جرم ذره است که با فرض قرار گرفتن حرکت ذره در رژیم جریان خزشی، توسط رابطه 2 نمایش داده میشود:
که u سرعت فاز سیال، up سرعت ذره، ویسکوزیته مولکولی سیال، قطر ذره میباشد. عدد رینولدز نسبی نیز به صورت رابطه 3 تعریف میگردد:
-3 شبیهسازی میدان مغناطیسی در COMSOL
در شبیهساز COMSOL، میدان مغناطیسی اطراف آهنربای دائمی شبیهسازی گردید. آهنربای دائمی مورد استفاده در آزمایش به شکل بلوکی و از جنس فریت میباشد که دارای ابعاد 40×25×10 میلیمتر میباشد.
