بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر، یک مدل CFD دو بعدی با رویکرد اویلری- اویلری همراه با نظریه جنبشی جریان دانهای جهت بررسی هیدرودینامیک و انتقال حرارت در راکتور دوار پیرولیز ضایعات پلیمری توسعه داده شده است. معادلات حاکم با رویکرد حجم محدود و با استفاده از الگوریتمSIMPLE توسط بستهی نرمافزاری تجاریFLUENT 14 ANSYS حل شده اند. صحت مدل توسعه داده شده، با مقایسهی نتایج آن با پژوهش دیگر محققین مورد تأیید قرار گرفت. نتایج پیشبینیشده توسط مدل، قرابت خوبی با نتایج حاصل از پژوهش آزمایشگاهی دارد. در ادامه تأثیر سرعت چرخش دیواره بر توزیع شعاعی سرعت مماسی و رشد دمای میانگین بستر مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش سرعت چرخش دیواره، سرعت مماسی در بستر و به تبع آن اختلاط ذرات جامد در بستر افزایش و دمای میانگین بستر در یک زمان خاص کاهش مییابد.
1. مقدمه
با افزایش تولید و استفاده فراوان از مواد پلیمری، افزایش مقدار این مواد به صورت ضایعات پلیمری به جهت زیست تخریب ناپذیر بودن این مواد و مخاطرات فراوان زیستمحیطی که ایجاد میکنند، به یک مسئله مهم تبدیل گردیده است. بر این اساس استفاده از یک روش مناسب جهت از بین بردن یا تبدیل این مواد ضروری به نظر می رسد. در این میان پیرولیزیکی از بهترین روش هاست که در این پژوهش به شبیهسازی راکتور دوار در این فرایند میپردازی.ممعمولاً دو رویکرد در شبیهسازی دینامیک ذرات در استوانههای دوار استفاده میشود: رویکرد اویلری و رویکرد لاگرانژی.
در روش لاگرانژییا روش اجزای مجزا، نیروهای وارد بر هر ذره در سیستم بر اساس قوانین تعامل ذره-ذره محاسبه میشود. در واقع این روش یک توضیح دقیق از حرکت ذرات جامد فراهم میکند که در آن هر ذره به صورت جداگانه پردازش میشود. بر این اساس مشکلی اصلیروشDEM این است که تعداد ذرات قابل بررسی با توجه به هزینهی محاسباتی بالای مربوط به این روش، بسیار محدود است. استفاده از این روش در مطالعات فینی و همکاران [1]، یانگ و همکاران 3]، [2 و کواپینسکا و همکاران 5]، [4 دیده می شود.
رویکرد دیگر، رویکرد اویلری می باشد که در این رویکرد کل محیط به عنوان یک محیط پیوسته در نظر گرفته میشود و از آنجا که حجم یک فاز نمی تواند یا فاز دیگری اشغال شود، مفهوم کسر حجمی فازی معرفی می شود. این کسر حجمی به عنوان توابع پیوسته از فضا و زمان فرض میشوند و مجموع آنها مساوی با یک است. جزئیات این رویکرد و معادلات حاکم در مطالعات بواتنگ و همکاران 7]، [6 و هی و همکاران [8] ذکر شده است.
در مجموع در این حوزه کارهایی که با استفاده از روش DEM صورت گرفته بسیار بیشتر از پژوهشهای عددی با رویکرد اویلری است با این وجود چندین گزارش مرتبط با مطالعه ی دینامیک مایعات در استوانه های دوار با استفاده از مدل اویلری چند فازی وجود دارد..[11-9] باید توجه داشت که اگرچه شبیه سازیDEM اطلاعات میکروسکوپی در سطح ذرات ارائه میکند، شبیه سازی اویلر- اویلر نیاز به زمان محاسباتی کمتری دارد و برای مدلسازی جریان گرانولهای در مقیاس بزرگ ترجیح داده میشود. [9] در این راستا در پژوهش حاضر، یک مدل CFD دو بعدی با رویکرد اویلری-اویلری همراه با نظریه جنبشی جریان دانهای جهت بررسی هیدرودینامیک و انتقال حرارت در بستر دانهای دوار توسعه داده شد و نتایج با پژوهشهای آزمایشگاهی معتبر سنجیده و صحت آن تأیید گردید و در نهایت تأثیر سرعت چرخش دیواره بر هیدرودینامیک و انتقال حرارت در بستر مورد مطالعه قرار گرفت.
2. روند شبیه سازی
در پژوهش حاضر مدل دو سیالی اولرین ترکیب با نظریه جنبشی جریان دانهای جهت شبیهسازی بستر استفاده شده است. برای شبیهسازی سامانه موردمطالعه، فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:
. شرایط خواص فیزیکی ثابت باشد
. انتقال جرم و واکنش وجود نداشته باشد
. ذرات کروی 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 انرژی برای فازهای جامد و گاز همراه با معادلات مربوط به نظریه ی جنبشی جریان های دانه ای که در جدول 1 به آنها اشاره شده است، با رویکرد حجم محدود و با استفاده از الگوریتمSIMPLE توسط بسته ی نرم افزاری و تجاریANSYS FLUENT 14 حل شده اند. ابعاد بستر، ویژگی های ذرات جامد در بستر و شرایط شبیه سازی در جدول 2 و 3 ذکر شده است. برای دیواره شرط مرزی عدم لغزش برای هر دو فاز گاز و جامد و دمای ثابت دیواره برابر با 1298 کلوین در نظر گرفته شد. هندسه مورد نظر به صورت دو بعدی با استفاده از نرم افزار GAMBIT 2.4 به صورت مثلثی شبکه بندی گردید - شکل. - 1 محاسبات نیاز به 5 ثانیه زمان دارند تا شرایط بستر از نظر هیدرودینامیکی به حالت پایا برسد، گام زمانی مورد استفاده در این شبیه سازی 0/0001 ثانیه است.
شکل -1 هندسه و شبکهبندی در پژوهش حاضر
جدول -1 معادلات حاکم وروابط استفاده شده در پژوهش حاضر
3. تجزیه و تحلیل نتایج
در کار حاضر، نتایج تجربی حاصل از پژوهش پارکر و همکاران [15] جهت تائید پیش بینی ها و صحت شبیه سازی هیدرودینامیک راکتور به کار رفته است. پارامترهای ورودی به جهت این مقایسه در جدول 2 و توضیحات بیشتر در پژوهش پارکر و همکاران [15] قابل مشاهده است. همانطور که در شکل - 2ب - مشاهده میشود نتایج شبیه سازی برای پروفایل سرعت مماسی ذرات در جهت شعاعی و عمود بر بستر قرابت خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد و نشان می دهد که نتایج به دست آمده از شبیهسازی مورد اعتماد می باشند و صحت شبیه سازی تأیید می گردد.
