بخشی از مقاله
چکیده:
در این مطالعه رفتار بستر دوار در شرایط عملیاتی مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. دیدگاه اولرین –اولرین با تئوري جنبشی براي شبیه سازي هیدرودینامیک و انتقال حرارت بستر استفاده شده است. به منظور بررسی صحت نتایج، سرعت و دماي ذرات جامد با نتایج داده هاي آزمیشگاهی محقیقن قبلی مقایسه شده است. در این پژوهش اثر سرعت چرخش بر روي سرعت مماسی و میزان انتقال حرارت مطالعه شده است.
کلمات کلیدي : دوار بستر، شبیه سازي CFD ، هیدرودینامیک ، انتقال حرارت.
-1 مقدمه
ستونهاي دوار در بسیاري از فرآیندهاي صنعتی مانند مخلوط کنندهها, خشککنها, خردکنندهها و راکتورها براي مواد دانهاي استفاده میشود. رفتار و حرکت دانه ها توجه بسیاري از تحقیقات در رشته مهندسی و فیزیکی را در دههي گذشته به خود اختصاص داده است.[4-1]هرچند مکانیزم حرکت جامدات در ستون هاي دوار به طور کامل شناخته نشده است، آگاهی از الگوي جریان جامدات براي طراحی ستونهاي دوار به منظور رفع نیازهاي فرآیند ضروري است.به طور کلی دو نوع مکانیزم اختلاط در یک بستر دوار وجود دارد: اختلاط محوري و اختلاط عرضی. هر دو مکانیزم به سرعت چرخش, شیب قرار گیري بستر و خواص رئولوژیکی مواد فرآیندي وابسته هستند.
تحقیقات نشان میدهد که با افزایش سرعت دورانی بستر در هردو مکانیزم سرعت اختلاط زیاد می شود.[5]ملمن[6] چشم اندازي از فرمها و حالتهاي مختلف حرکت بستر ذرات در ستون هاي دوار ارائه کرده است. رژیمهاي حرکت جریان جامدات در ستونهاي دوار با افزایش سرعت چرخش شناسایی میشوند: لغزشی، موجدار، سقوط ناگهانی، غلتان، آبشاري، آبشاري بزرگ و سانتریفیوژي.
در همین راستا هنین [7] در مطالعاتش در این زمینه نمودارهایی با دادههاي تجربی ایجاد کرده است که به وسیلهي آنها نحوهي عملکرد و مکانیزم حرکت ذرات، نوع ذره، شکل ذره، در بستر را با توجه به پارامترهاي عملیاتی مانند ضخامت بستر و هندسهي بستر دوار مشخص میکند.
براي نشان دادن ویژگیهاي بستر دوار تحقیقات بسیاري انجام شده است از جمله می توان براي رژیمهاي جریان [11-8 ,6] و براي رفتارهاي جامدات [14-12 ,4 ,2] و براي دینامیک ذرات [18-15 ,1] نام برد.همانطور که اشاره شد مطالعات زیادي براي شناسایی خصوصیات ستون هاي دوار انجام شده است. اگرچه بسیاري از این مطالعات در، یا نزدیک رژیم غلتان بوده اند به اندازهي کافی به وسیلهي مدل هاي ریاضی اعتبار سنجی نشدهاند. مشخص بودن بعضی از متغییرها مانند پروفایل سرعت در میانهي وتر سطح بستر ذرات براي انجام محاسبات در لایهي فعال مهم هستند.[19]
رژیم غلتان از متداولترین رژیمها در صنعت است. این رژیم با دو ناحیهي متفاوت مشخص میشود: ناحیه غیر فعال, که در نزدیکی دیواره مشاهده میشود و ذرات در آن مانند جسم صلب - جامد - حرکت میکنند و ناحیه دیگر ناحیهي فعال نامیده میشود که در نزدیکی سطح بستر مواد قرار دارد و در این ناحیه ذرات به شکل آبشاري به سمت پایین میلغزند. مکانیزمهاي فیزیکی مانند اختلاط و جداسازي و پدیده هاي انتقال مانند انتقال حرارت و جرم عمدتاً در این ناحیه اتفاق میافتد.[17 ,16]دینگ و همکاران [13] براي شناسایی مسیر حرکت ذرات و سرعت ذرات از روش ردیابی ذرات منتشرکنندهي پوزیترون - PEPT - استفاده کردهاند و هانگ و همکاران [20] این آزمایش را با محدودیتهاي سایز و انجام آزمایش فقط براي پودرهاي رادیو اکتیو انجام دادند.
ملمن و همکاران [6] به صورت تجربی حرکت انتقالی غلتان/آبشاري مواد مختلف در بستر با اندازههاي مختلف را مورد بررسی و مطالعه قرار دادند. آنها ارتباط بین - dp/R=S - و عدد فرود - Fr - را بررسی کردهاند. آنها متوجه شدند که در عدد فرود کم، توزیع سرعت تقریبا مسطح و با افزایش عدد فرود S شکل میشود.بواتنگ و بار[18] از یک پروب فیبر نوري براي بررسی هیدرودینامیک بسترهاي تشکیل شده از گويهاي پلیاتیلن, سنگ آهک و دانههاي برنج استفاده کردهاند. در طیف گستردهاي از سرعت چرخش و سطوح پرشدگی دریافتند که ذرات کروياساساً گرادیان سرعت یکنواخت در لایهي فعال ایجاد میکنند.
در واقع بواتنگ و بار [18] ارتباط بین سه پارامتر اصلی مربوط به جریان دانهاي - دماي دانهاي، نسبت حجمی مواد، سرعت متوسط ذره - را بررسی کردهاند. آنها فرض کردند که بردارهاي سرعت در ناحیه غیر فعال موازي با سطح بستر هستند - جریان یکنواخت - در حالی که در ناحیه غیر فعال آنها بردارهاي سرعت را خطی اندازهگیري کردند در همین راستا فرض مشابهی توسط بواتنگ [21] صورت گرفت که با استفاده از آن و همچنین با استفاده از نظریه رویکرد لایهي مرزي در استخراج معادلات حاکم بر حرکت ذرات در لایه فعال استفاده گردید و همچنین لی و همکاران [2] یک عبارت تحلیلی براي حداکثر ضخامت لایهي فعال و سرعت متوسط در در حالت غلتان بر اساس عبارات پایهگذاري شده توسط ملمن و همکاران [22] ارائه کردند.
در پژوهشهاي دینگ و همکاران [23 ,17 , 13] سرعت ذرات در بستر بررسی شد. آنها دریافتند که در حالت غلتان سرعت ذرات در سطح بستر تا زمانی که به حداکثر مقدار در نزدیکی میانهي مسیر آزاد ذرات برسد افزایش پیدا میکند و از آن موقعیت به بعد سرعت کاهش پیدا میکند.همزمان با فعالیتهاي تجربی، چندین مدل ریاضی با هدف کمک به درك سینتیک و مکانیزم سیستمهاي گاز جامد انجام شده است. معمولاً دو نوع مدل براي شبیهسازي جریان دوفازي داریم: مدل اولرین-لاگرانژ و مدل اولرین-اولرین. تفاوت این دو مدل به تفاوت در رفتار حرکت ذرات برمی گردد.
مدل اویلري: در این مدل طبیعت گسسته ذرات نادیده گرفته میشود و اساس آن قوانین بقا شامل جرم و مومنتوم و انرژي میباشد. چون هرفاز نمیتواند حجم فاز دیگر را اشغال کند مفهوم کسر حجمی مطرح میشود - کسر حجمی تابعی پیوسته از زمان و فضا است - و مجموع کسر حجمی برابر با یک است. این رویکرد قادر به بررسی رفتار یک ذره خاص و تعامل بین ذرات نیست.
مدل لاگرانژي : - DEM - در این مدل هریک از ذرات به صورت مجزا در نظر گرفته میشوند و مورد تحلیل و بررسی قرار میگیرند. این روش براي محاسبهي نیروهاي وارده بر هر ذره در سیستم، از تعامل ذره-ذره استفاده میکند و میتوان رفتار دقیقی از حرکت جامدات داشت و براي هر ذره پردازش انجام میشود.در این راستا مطالعات قبلی در پژوهش حاضر، یک مدل CFD با رویکرد اویلري-اویلري همراه با نظریه جنبشی جریان دانهاي جهت بررسی هیدرودینامیک و انتقال حرارت در بستر دانهاي دوار شبیه سازي شده است ونتایج با پژوهشهاي آزمایشگاهی معتبر سنجیده و صحت آن بررسی شده است و در نهایت تأثیر سرعت چرخش دیواره بر هیدرودینامیک و انتقال حرارت در بستر مورد مطالعه قرار گرفت.
-2 شبیه سازي
در این مطالعه دیدگاه اولرین - اولرین با نظریه جنبشی جریان دانهاي جهت شبیهسازي بستر دوار استفاده شده است. براي شبیهسازي سامانه موردمطالعه، فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:
• شرایط خواص فیزیکی مانند ظرفیت گرمایی و هدایت حرارتی ثابت باشد
• انتقال جرم و واکنش وجود نداشته باشد
• ذرات کروي شکل و با اندازه یکنواخت باشند
• به هم چسبیدن و خرد شدن ذرات وجود نداشته باشد.
معادلات حاکم شامل معادلات پیوستگی، معادلات انتقال مومنتوم و انرژي براي فازهاي جامد و گاز همراه با معادلات مربوط به نظریهي جنبشی جریان هاي دانه اي که در جدول 1 به آنها اشاره شده است.
