دانشگاه آزاد اسلامي
واحد تهران جنوب
دانشکده تحصيلات تکميلي
پاياننامه براي دريافت درجه کارشناسي ارشد “M.Sc.”
(مهندسي شيمي – ترموديناميک و سينتيک)
عنوان:
مدل سازي توزيع حباب ها در سيستم بستر شناور گاز- مايع به روش ديناميک سيالات محاسباتي (CFD)
استاد راهنما:
جناب آقاي دکتر ايرج ناصر
استاد مشاور:
جناب آقاي دکتر مهدي رفيع زاده
نام و نام خانوادگي دانشجو:
محمد هادي بني رشيد
شماره دانشجويي:
9045410766
تابستان 1393
سپاسگذاري:
فهرست مطالب
سپاسگذاريد
فهرست مطالب‌ه
فهرست شکلها‌ط
فهرست جداول‌ك
فهرست نمودارها‌ك
علايم و اختصارات‌م
چکيده1
فصل 1 کليات3
1.1.مقدمه4
1.2.تحليل رفتار سيالات5
1.3.پيش زمينه پيدايش CFD6
1.4. مقايسه روش هاي حل معادلات مکانيک سيالات6
1.5. ديناميک سيالات محاسباتي7
1.5.1. مراحل کاري CFD به طور کلي8
1.5.2. مراحل کاري يک برنامه CFD در يک نگاه9
1.5.3. يک برنامه CFD چگونه کار مي کند؟10
1.5.4. نرم افزارهاي CFD16
1.6. جريان هاي فازي16
1.6.1. رژيم هاي چندفازي17
1.6.2. مثال هايي از سيستم هاي چندفازي19
1.6.3. انتخاب يک مدل چند فازي20
1.6.4. مقايسه مدل ها22
فصل 2 مقدمه25
2.1.دورنما25
2.2.انگيزه و هدف28
2.3.حيطه و طرح کلي پايان نامه29
فصل 3 مروري بر تحقيقات32
3.1. الگوهاي جريان دو فازي گاز – مايع و نقشه رژيم در لوله هاي افقي و عمودي32
3.1.1. الگوهاي جريان و نقشه رژيم در جريان لوله عمودي32
3.1.2. الگوي جرياني و نقشه رژيم در جريان لوله افقي35
3.2. مشخصات جريان حبابي همدما در ستون حباب39
3.3. مدلسازي موازنه جمعيتي براي جريان حبابي همدما41
3.4. مکانيزم هاي برخورد حباب47
فصل 4 فرمولاسيون عددي و مدل موازنه جمعيتي50
4.1. مدل موازنه جمعيتي50
4.1.1. معادله موازنه جمعيتي50
4.1.2. مکانيزم هاي برخورد حباب51
4.1.3. روشهاي مدل موازنه جمعيتي58
4.2. انتقال مومنتوم بين فازي62
4.2.1. نيروي دراگ63
4.2.2. نيروي برآ63
4.2.3. نيروي ليزاننده ديواره64
4.2.4. نيروي جرم مجازي65
4.2.5. نيروي پراکندگي آشفته65
4.3. مدلسازي آشفته براي مدل دو سيالي66
4.4. مدل دو سيالي و جمله بسته69
فصل 5 بررسي عددي تاثير نيروهاي بين سطحي روي جريان حبابي71
5.1. مقدمه71
5.2. مدل رياضي74
5.2.1. انتقال مومنتوم بين سطحي به دليل کشش74
5.2.2. مدل عدد چگالي متوسط حباب(ABND)77
5.2.3. هسته هاي شکست و پيوستگي77
5.3. جزئيات عددي و تجربي79
5.4. نتايج و بحث81
5.4.1. توزيع کسر خالي81
5.4.2. قطر متوسط حباب83
5.4.3. سرعت گاز متوسط زماني86
5.5. نتيجه گيري88
فصل 6 مدلسازي جريان حبابي گاز – مايع افقي با استفاده از روش موازنه جمعيتي91
6.1.مقدمه91
6.2.جزئيات عددي93
6.3.نتايج و بحث96
6.3.1.کسر خالي متوسط زماني گاز96
6.3.2.غلظت ناحيه بين سطحي متوسط زماني(IAC)98
6.3.3.سرعت متوسط زماني گاز99
6.4.نتيجه گيري99
فصل 7 مدلسازي جريان حبابي عمودي گاز – مايع با استفاده از روش ربع مستقيم گشتاورها(DQMOM))102
7.1. مقدمه و فرمولاسيون رياضي102
7.2. مدلهاي رياضي105
7.2.1. مدلهاي DQMOM105
7.2.2. جملات چشمه اي مدلهاي DQMOM107
7.3. توصيف تنظيمات آزمايش108
7.3.1. توصيف تنظيمات آزمايش هاي MTLOOP و TOPFLOW109
7.3.2. رشد اندازه مختلف حباب ايجاد شده با روشهاي تزريق مختلف110
7.4. جزئيات عددي111
7.5. بحث112
7.5.1. توزيع کسر خالي حباب113
7.5.2. توزيع اندازه حباب116
7.6. نتيجه گيري118
فصل 8 نتيجه گيري120
8.1. بررسي عددي تاثير نيروي بين سطحي روي جريان حبابي120
8.2. مدلسازي جريان افقي گاز – مايع با استفاده از ABND براساس روش موازنه جمعيتي121
8.3. مدلسازي جريان حبابي گاز – مايع عمودي با استفاده از روش ربع مستقيم گشتاورها(DQMOM))122
8.4. توصيه هاي توسعه CFD و تحقيقات آينده در جريان دو فازي122

فهرست شکلها
شکل 1-1. فرم گسسته شده معادلات پايستگي13
شکل 2-1. رژيم هاي جريان چندفازي.18
شکل 1-3. الگوهاي جريان جريان دو فازي هوا-آب در لوله عمودي33
شکل 2-3. نقشه رژيم جريان براي جريان دو فازي هوا-آب در لوله عمودي ارائه شده توسط ميشما و ايشي(1984)41
شکل 3-3. الگوهاي جريان دوفازي ها-آب در لوله افقي36
شکل 4-3. نقشه رژيم جرياني دو فازي هوا-آب در لوله افقي ارائه شده توسط تايتل و دوکلر(1976).38
شکل 5-3. مشخصات جريان حبابي در جريان حبابي همدما40
شکل 6-3. نمونه اي از مختصات داخلي و خارجي موازنه جمعيتي براي جريانهاي گاز – مايع43
شکل 7-3. بيان گرافيکي روشهاي کلاس (CM)45
شکل 8-3. بيان گرافيکي روش ربعي گشتاورها(QMOM).46
شکل 9-3. بيان شماتيک مکانيزم هاي پيوستگي و شکستگي حباب ها48
شکل 1-5. خط جرياني سرعت مايع اطراف حباب منفرد و تعداد حباب ها72
شکل 2-5. جزئيات هندسي آزمايش هيبيکي و همکاران(2001)78
شکل 3-5. نقشه رژيم جرياني و انتقال شرايط جرياني مطالعه شده در کار حاضر(چنگ و همکاران 2007).79
شکل 4-5. توزيع مش مدل محاسباتي:آزمايش هيبيکي و همکاران(2001)81
شکل 5-5. توزيع کسر خالي پيش بيني شعاعي و داده هاي تجربي هيبيکي و همکاران(2001)82
شکل 6-5. توزيع قطر متوسط حباب پيش بيني شده و داده هاي تجربي هيبيکي و همکاران(2001)85
شکل 7-5. پروفايل سرعت شعاعي گاز پيش بيني شده و داده هاي تجربي هيبيکي و همکاران(2001)87
شکل 8-5. درصد خطاي سرعت گاز متوسط زماني در مقايسه با داده هاي تجربي هيبيکي و همکاران(2001).89
شکل 1-6. حرکت هاي حباب شماتيک ساده در جريان لوله افقي : ترکيب نيروهاي محوري و شعاعي ، حباب ها نه عمودي حرکت مي کنند و نه افقي92
شکل 2-6(a) جزئيات هندسي آزمايش کوکاموستافوگالاري و هونگ(1994) و (b) توزيع مش مدل محاسباتي سطح مقطع94
شکل 3-6. توزيع کسرخالي گاز متوسط زماني پيش بيني شده و داده هاي آزمايشگاهي کوکاموستافوگالاري و هونگ(1994) در محل L/D=25395
شکل 4-6. توزيع غلظت بين سطحي متوسط زماني پيش بيني شده و داده هاي تجربي کوکاموستافوگالاري و هونگ(1994) در محل L/D=253.97
شکل 5-6. توزيع سرعت گاز پيش بيني شده و داده هاي تجربي کوکاموستافوگالاري و هونگ(1994) در محل L/D=253.98
شکل 1-7. بيان شماتيک آزمايش MTLOOP108
شکل 2-7. بيان شماتيک آزمايش TOPFLOW110
شکل 3-7. توزيع کسر خالي شعاعي پيش بيني شده و داده هاي آزمايشگاهي MTLOOP که توسط لوکاس و همکاران(2005) اندازه گيري شده است.113
شکل 4-7. توزيع کسر خالي شعاعي پيش بيني شده و داده هاي تجربي TOPFLOW که توسط پراسر و همکاران(2007) اندازه گيري شده است.114
شکل 5-7. توزيع اندازه حباب پيش بيني شده و داده هاي تجربي MTLOOP که توسط لوکاس و همکاران(2005) اندازه گيري شده است.115
شکل 6-7. توزيع اندازه حباب پيش بيني شده و داده هاي تجربي TOPFLOW که توسط پراسر و همکاران(2007) اندازه گيري شده است.117
فهرست جداول
جدول 1-1.مقايسه هاي روش هاي حل معادلات مکانيک سيالات6
جدول 2-1.مثال هاي جريان هاي سيستم هاي چندفازي19
جدول 1-4. سناريوهاي جريان و جزئيات شرايط مرزي ورودي در شبيه سازي آزمايش هيبيکي و همکاران(2001)80
جدول 1-5. سناريوهاي جريان و جزئيات شرايط مرزي ورودي در شبيه سازي آزمايش کوکاموستافوگالاري و هونگ(1994)93
جدول 1-6. اطلاعات شرايط جريان ورودي اعمال شده در شبيه سازي آزمايش MTLOOP و TOPFLOW112
فهرست نمودارها
نمودار 1-1.مراحل کاري يک برنامه CFD دريک نگاه9
نمودار 2-1.روش Segregated14
نمودار 3-1. روش Coupled15
فهرست علايم و اختصارات
A مساحت سطح مقطعC_D ضرايب دراگC_Lضريب بلند کردنC_TDضريب پراکندگي آشفتگيC_RCضريب برخورد تصادفيC_TIضرايب تاثير آشفتگيd_Hبيشينه اندازه افقي حباب هاD_sقطر متوسط حبابD_B, D_Cنرخ اتلاف جرم به دليل شکست و پيوستنE_O عدد ايتوسE_dg عدد اصلاح شده ايتوسF توزيع اندازه حبابF_i نيروي کلي بين سطحيF_(1?g)^drag نيروي دراگF_(l?g)^lift نيروي بلند کردنF_(l?g)^lubrication نيروي ليزاندن ديوارهF_(l?g)^dispersion نيروي پراکندگي آشفتگيg شتاب گرانشيh ضخامت فيلمm گشتاورn عدد چگالي متوسط فاز گازP_B,P_C نرخ توليد جرم به دليل شکستگي و پيوستن
نمادهاي يوناني
?کسر حجمي?_max بيشينه مجاز کسر حجمي? اتلاف انرژي جنبشي آشفتگي? چگالي? تنش سطحي?nRC نرخ تغيير عدد چگالي حباب به دليل برخورد تصادفي?nTI نرخ تغيير عدد چگالي به دليل تاثير گردابه هاي آشفتگي? طول? وزن? فرکانس پيوستن? فرکانس شکست? فرکانس برخورد? بازده پيوستن? پارامتر اساسي در PBE? ويسکوزيته
زيرنويس ها
gفاز گازglانتقال کميت ها از فاز مايع به فاز گازiکلاس اندازه حبابj گروه سرعتl مايعlg انتقال کميت ها از فاز گاز به فاز مايعg فاز گازgl انتقال کميت ها از فاز مايع به فاز گازi کلاس اندازه حبابj گروه سرعتl مايع
چکيده:
کلمات کليدي : ديناميک سيالات محاسباتي ، حباب ، پيوستگي و شکست ، راکتورهاي بستر شناور ، سيستم هاي چند فازي ،جريان هاي عمودي وافقي ، PBM ،DQMOM ،
اخيراً راکتورهاي بستر شناور گاز ـ مايع به خاطر کاربرد گسترده آنها در فرآيندهاي شيميايي، پتروشيمي و فرآيندهاي زيست محيطي ، مورد توجه قرار گرفته اند .از طرفي با پيشرفت هاي صورت گرفته، در روش‌هاي محاسبــاتي و علم کامپيوتر، ديناميک سيالات محاسباتي (CFD) به يک روش جديد داراي پتانسيل بسيار زيادي براي درک اثر ديناميک سيالات در عملکرد راکتورهاي شيميايي تبديل شده است . در اين نوع راکتورها نقش حباب ها در فرآيندهاي چند فازي ناشي از شکست و برخورد حباب ها ، اهميت اين مطالعه را توجيه مي کند .
در ميان مدلهاي مختلف عددي براي جريان دو فازي، مدل دو سيالي که دو فاز را با استفاده از دو مجموعه از معادلات انتقالي رديابي مي کند، از مناسب ترين مدلها هستند. در مطالعه حاضر، توانايي مدل دو فازي و اصطلاحات بسته براي شبيه سازي شرايط جريان حبابي عمودي و افقي بررسي شده است. همچنين از يک مدل تعادلي براي رديابي مکانيزم هاي برخوردي بين حباب ها / حباب ها و حباب ها/گردابه ها اتخاذ شده است.
همچنين در اين مطالعه، عملکرد رابطه تجربي ضريب کشش ارائه شده توسط سيمونت و همکاران (2007) بررسي شده است. اين مدل با مدل ذرات سيال توزيع شده ارائه شده توسط ايشي- زوبر که به طور گسترده در بسته هاي نرم افزار تجاري استفاده شده است، مقايسه شده است. همچنين از سه متغير شامل کسر خالي گاز، قطر متوسط حباب و سرعت گاز براي ارزيابي مدل با داده هاي تجربي هيبيکي و همکاران (2001) انتخاب شده است.
مدل تعادلي جمعيتي (PBM) نقش مهمي در ارائه اطلاعات با توجه به توزيع اندازه حباب ها ايفا مي کند. قبلا، روش کلاس ارائه شده توسط مدل (MUSIG) به عنوان يکي از روشهاي مطلوب براي بررسي معادله تعادل جمعيتي (PBM) با گسسته کردن محدوده اندازه هاي پيوسته به دنباله هاي از کلاسهاي اندازه گسسته در نظر گرفته مي شود. در مقايسه با مدل MUSIG، مزيت عمده روش(DQMOM) اين است که تعداد گشتاورهايي که بايد حل شود، در کل کم است. در اين پايان نامه، مدل DQMOM توسعه داده شده و در نرم افزار ANSYS FLUENT براي تطابق پيوستن و شکستگي حباب هاي گاز اجرا شده است. در آخرنتايج شبيه سازي با داده هاي تجربي MTLOOP و TOPFLOW تاييد شده است.

مدل سازي توزيع حباب ها در سيستم بستر شناور گاز- مايع به روش ديناميک سيالات محاسباتي (CFD)
فصل اول
كليـات
فصل اول : كليات
مقدمه
هر چند که در اوايل توسعه علم، رياضي‌دانان به جاي پيشگويي به دنبال يافتن روابط حاکم بر عملکرد سيستم‌هاي موجود بودند اما امروزه با پيشرفت‌هاي انجام شده، نسبت به دانشمندان علوم تجربي پيش‌قدم هستند. دانشمندان علوم تجربي گرچه با حل رياضي پديده‌ها آشنا هستند ولي براي آزمايش‌هاي خود با مشکلات زيادي مواجه مي باشند. مهم‌ترين مسأله مربوط به ديناميک سيالات از نظر رياضي مدت هاست حل نشده و آن‌هايي که حل شده‌اند نيز با مشکلات زمان زياد براي انجام عمليات رياضي مواجه هستند. با توسعه رايانه ها روز به روز اين مشکل آسان و آسان تر مي شود. و اينک پيچيده‌ترين اين مسائل که بحث‌هاي مهم انتقال حرارت و سيالات مي باشند از طريق رايانه قابل حل است. امروز علم ديناميک سيالات محاسباتي به صورت يک ابزار پرقدرت و توانا براي تحليل رفتار جريان سيال و انتقال حرارت در سيستم‌هاي با هندسه پيچيده و معادلات حاکم پيچيده براي محققين و مهندسين درآمده است. پيچيدگي معادلات حاکم بر مسأله، تأثير متقابل پديده‌هاي فيزيکي مختلف، گذرا بودن اغلب مسائل مهندسي، بالا بودن هزينه هاي مربوط به تجهيزات آزمايشگاهي و محدوديت استفاده از دستگاه‌هاي اندازه‌گيري در بسياري از مسائل علمي‌، از جمله دلايلي مي باشد که استفاده از روش‌هاي تحليلي و آزمايشگاهي را در مقايسه با روش‌هاي عددي محدود مي‌کند. اگرچه مدل‌سازي راکتور تعيين پارامترهاي هيدروديناميکي آن امري ضروري به نظر مي‌رسد. هيدروديناميک اين راکتورها به شدت متأثر از مقياس عملکرد آن‌ها مي باشد. (به دليل کاربردهاي وسيع اين راکتورها در صنعت، تلاشهاي زيادي جهت ارائه يک روش قابل اطمينان براي افزايش مقياس صورت گرفته است.) در گذشته محققين جهت دستيابي به هيدروديناميک اين راکتورها به تجارب آزمايشگاهي مي‌پرداختند. نتايج حاصل از اين آزمايش‌ها لزوماً در مقياس‌هاي بزرگ صحت نداشتند و لذا به عنوان قوانين افزايش مقياس قابل کاربرد نبودند. به طور مثال تأثيرات ديواره‌اي يک راکتور کوچک بر حرکت، تشکيل و شکستن حباب‌ها مشخص است. همچنين واضح است که اين تأثير در راکتورهاي بزرگ‌تر متفاوت مي باشد. لکن ميزان و چگونگي اين تفاوت‌ها معلوم نيست و لذا بهترين راه دست‌يابي به هيدروديناميک قطرهاي بزرگ انجام آزمايش در راکتورهايي با همان قطر است که البته بسيار هزينه ‌بر مي‌باشد که به کمک CFD1 مي‌توان راکتور را در اندازه واقعي شبيه‌سازي کرد و با توجه به نتايج حاصل به configuration و شرايط مناسب راکتور پيش بيني کرد .
تحليل رفتار سيالات
براي تحليل رفتار سيالات مي‌توان مطالعات آزمايشگاهي و تجربي را به کار برد. از سال‌ها و قرن‌هاي گذاشته دانشمندان زيادي از جمله اولر2، ليبينيز3، نيوتن4، رينولدز5، پرانتل6، استوکس7، ناوير8 و … تلاش‌هاي فراواني جهت مطالعه، بررسي و شناخت رفتار جريان‌هاي سيالات و در طول دوران‌هاي مختلف انجام دادند.
اين تلاشها منجر به پيدايش مکانيک سيالات9 گرديد. به عبارت ديگر مکانيک سيالات شالوده نتايج و يافته هاي مطالعه شده مي‌باشد که به صورت آزمايشگاهي و در اثر سعي و تکرارهاي گسترده به دست آمده است.
با استفاده از نتايج حاصل شده از آزمايشهاي مختلف و استفاده گسترده معادلات ديفرانسيل و روابط رياضي معادلات حاکم تئوري ـ کاربردي و امروزي به دست آمدند. بسياري از دانشمندان به جمع‌آوري و تعميم معادلات مکانيک سيالات پرداختند. پس به طور کلي براي تحليل رفتار سيالات دو روش موجود مي‌باشد:
روش آزمايشگاهي و تجربي
روش تئوري ( استفاده از معادلات حاکمه )
همانطور که اشاره گرديد روش‌هاي تئوري از مطالعات آزمايشگاهي و واقعي پديده‌هاي علمي به دست مي‌آيند. با استفاده از روش‌هاي رياضي مي توان به حل معادلات تئوري دست يافت. جواب‌هاي تحليلي معادلات رياضي، جواب‌هاي بسيار دقيقي هستند به شرط آنکه معادله مورد نظر با توجه به هندسه مسئله توسط روش تحليلي قابل حل باشد. شرايط مسئله مانند دو بعدي و يا سه بعدي بودن هندسه، شرايط مرزي، دو فازي بودن مسئله، بزرگي ابعاد هندسي مسئله و … باعث استفاده از روش‌هاي عددي جهت حل معادلات گرديد.
روش‌هاي عددي به صورت المان محدود ، با تقريب مناسب به حل مسأله پرداخته و جواب‌هاي ايده‌آل و قابل قبولي را به ما مي‌دهند.
پيش زمينه پيدايش CFD
توسعه و پيشرفت علوم کامپيوتر و استفاده گسترده از زبان‌هاي برنامه‌نويسي منشأ پيدايش ديناميک سيالات محاسباتي، جهت حل عددي معادلات مکانيک سيالات در قرن حاضر گرديد. به بيان روش عددي CFD، يک روش جديد، سريع و کاربردي در دنياي امروز است که به حل معادلات مکانيک سيالات مي پردازد.
اگر روشCFD را به عنوان سومين روش تحليل جريان سيالات قلمداد نماييم، مي‌توانيم به يک مقايسه خلاصه و مختصر بين روش‌هاي مطرح شده بپردازيم.
مقايسه روش هاي حل معادلات مکانيک سيالات

جدول شماره 1-1 : مقايسه روش‌هاي حل معادلات مکانيک سيالات
نام روشمحاسنمعايبروش آزمايشگاهي و تجربيبيان نتايج واقعي و کاملاً معتبر – دقت بسيار بالامحدوديت محيط آزمايشگاه
محدوديت ابزار سنجش
بالا بودن هزينه ساخت مدل واقعي
بالابودن هزينه ها به علت صرف زمان بالاي آزمايش
خطر آزمايش برخي از سيالات شيمياييروش تئورياستفاده از معادله تعريف شده رياضيمحدوديت معادل بندي
در هندسه‌هاي پيچيده کاربرد ندارد
خطاي پايين نسبت به نتايج واقعيروش CFDکاهش زمان دستيابي به نتايج
کاهش هزينه ساخت
کاهش هزينه تحقيق
استفاده از روند حل نتايج
حل مسائل پيچيده هندسي
حل مسائل وابسته به زمان در حالت‌هاي مختلف
تحليل شرايط مرزي مختلفداشتن خطا خصوصاً خطاي برشي
نياز به کامپيوترهاي نسبتا قوي با حافظه بالا در تعريف مسئله مي‌باشد زيرا کوچکترين اشتباهي در تعريف مسئله موجب افزايش خطا و عدم همگرايي در جواب ها مي شود
ديناميک سيالات محاسباتي
ديناميک سيالات محاسباتي يا CFD عبارت از تحليل سيستم‌هاي شامل جريان سيال، انتقال حرارت و پديده‌هاي همراه نظير واکنش هاي شيميايي، بر اساس شبيه‌سازي کامپيوتري است. CFD روش بسيار توانايي مي‌باشد به‌طوري که طيف وسيعي از کاربردهاي صنعتي و غير صنعتي را در بر مي‌گيرد برخي مثال‌ها عبارتند از:
نيروگاه : احتراق دستگاه I.C و توربين‌هاي گاز
توربو ماشين : جريان هاي داخل گذرگاه هاي دوار، پخش کننده و غيره
مهندسي دريا : بارهاي روي ساختمان هاي ساحل
مهندسي فرآيند شيميايي : اختلاط، جداسازي، راکتور، شکل‌گيري پليمر
صنايع هوايي : تست هاي تونل باد براي تعين عملکرد ترکيب هاي مختلف
صنايع ساختماني :طراحي سيستم گرمايش و تهويه ساختمان ها
CFD به يک جزء اساسي در طراحي توليدات صنعتي و فرآيندها در آمده است .هدف نهايي توسعه و پيشرفت در زمينه CFD رسيدن به توانايي قابل مقايسه با ابزارهاي CAE (مهندسي به کمک کامپيوتر) نظير برنامه هاي تحليل تنش مي‌باشد. دليل اصلي اين که چرا CFD به کندي پيشرفت کرده است در حقيقت پيچيدگي زياد رفتار اساسي آن و عدم بحث جريان سيال در رابطه با مسائل اقتصادي و مقرون به صرفه بودن آن است. توضيح جريان که هم زمان اقتصادي و کامل باشد و نيز وجود سخت افزارهاي با عملکرد بسيار خوب محاسباتي و واسطه هاي با استفاده ساده منتقل به رشد جالبي شده و CFD موفق شد که در ده 1990 در حد گسترده تري وارد حوزه ارتباطات صنعتي شود.
قيمت تقريبي مجوز دائمي نرم افزارهاي تجاري بين 50000-10000 دلار بسته به تعداد بسته هاي اضافي مورد نياز، متغير است روشن است که قيمت سرمايه گذاري روي توانايي هاي CFD کم نيست ولي هزينه کل به اندازه يک کار تجربي با کيفيت بالا نمي‌باشد. بعلاوه CFD در طراحي سيستم‌هاي سيالاتي چند مزيت منحصر به فرد نسبت به روش‌هاي تجربي دارا مي‌باشد.
کاهش اساسي در زمان و قسمت‌هاي طراحي جديد
توانايي مطالعه سيستم‌هايي که انجام آزمايشات کنترل شده روي آن‌ها مشکل و يا غير‌ممکن مي‌باشد (نظير سيستم‌هاي بزرگ)
توانايي مطالعه سيستم‌ها، تحت شرايط تصادفي و بالاتر از حد معمول آن‌ها ( نظير مطالعات مطمئن و موضوعات تصادفي)
به دست آوردن نتايج با جزئيات زياد
قيمت متغير يک آزمايش از لحاظ کرايه وسائل و يا قيمت ساعت کار افراد با تعداد نقاط داده‌ها و تعداد دفعات آزمايش متناسب است. در مقابل برنامه‌هاي CFD مي‌توانند نتايج زيادي توليد کنند در حالي که واقعاً مخارج چنداني افزوده نمي شود و براي پيش‌بيني پارامترهاي موضوعي بسيار ارزان مي باشد. براي مثال مي توان به بهينه سازي تجهيزات فرآيندهاي شيميايي اشاره کرد.
مراحل کاريCFD به طور کلي
اگر بخواهيم مراحل کاري حل يک مسئله به صورت عددي CFD را بيان کنيم مي توانيم مراحل زير را به اختصار نام ببريم:
مدل سازي هندسي مسئله
توليد شبکه مناسب براي حل
انتخاب معادلات مناسب جهت حل
تعريف شرايط مرزي
گسسته سازي معادلات حل
اجراي برنامه کامپيوتري
نتايج آماري و نموداري
مراحل کاري يک برنامه CFD در يک نگاه
نمودار 1-1 : مراحل کاري يک برنامه CFD در يک نگاه
يک برنامه CFD چگونه کار مي‌کند؟
ساختار برنامه CFD روش حل عددي است، به طوري که مسائل جريان سيال با استفاده از اين روش قابل حل مي باشند. به منظور فراهم آمدن دسترسي آسان به حل توأم آن‌ها تمام بسته‌هاي نرم‌افزار تجاريCFD شامل واسطه‌هاي کاربري پيچيده‌اي جهت ورود پارامترهاي مسائل نتايج مي‌باشند، از اين‌رو تمام برنامه‌ها شامل سه جزء اصلي مي باشند:
پيش پردازنده
حل کننده
پس پردازنده
پيش پردازنده
عبارت است از ورودي مساله جريان به بک برنامه CFD با استفاده از يک واسطه عملکرد ساده و سپس تبديل اين ورودي به يک شکل مناسب براي استفاده توسط حل کننده، وظايف يک کاربر در مرحله پيش پردازنده عبارت است از:
تعريف هندسه ناحيه مورد نظر ميدان محاسباتي
توليد شبکه يا تقسيم بخش‌هاي کوچک به نواحي کوچک‌تر
انتخاب مجموعه پديده‌هاي فيزيکي و شيميايي که بايد مدل شوند
تعريف خواص سيال
تشخيص و تعريف شرايط مرزي لازم در سلول‌هايي که منطبق و يا در تماس با مرز محدوده مي‌باشند.
اعمال پارامترهاي کنترل حل عددي
حل يک مساله جريان (سرعت، فشار، دما و غيره) در گره‌هاي داخلي هر سلول قرار مي‌گيرد. دقت مربوط به يک حل CFD از تعداد سلول‌هاي موجود در شبکه پيروي مي‌کند. هر چه تعداد سلول‌ها بيشتر باشد حل مساله دقيق‌تر انجام مي‌شود. شبکه‌هاي مطلوب اغلب غير يک نواخت مي‌باشد. در جايي که تغييرات از نقطه‌اي به نقطه ديگر زياد است، ريزتر و در نواحي با تغييرات نسبتاً کم درشت‌تر است.
بيش از50% زمان استفاده شده در صنعت روي پروژه CFD صرف تعيين هندسه محدوده و توليد شبکه مي‌شود. در حال حاضر براي به حداکثر رساندن بهره‌مندي کاربران CFD، اغلب برنامه‌هاي مهم شامل فصل مشترک با نرم‌افزار CAD بوده و يا از امکاناتي براي ورود اطلاعات از سطح سازه‌هاي تخصصي و توليد کننده هاي شبکه از جمله ANSYS برخوردار مي‌باشند.
پس پردازنده
مانند پيش پردازنده اخيراً مقدار زيادي از کار در محيط پس‌پردازنده صورت مي‌گيرد. به دليل افزايش تنوع نيازهاي مهندسي، بسياري از آن‌ها داراي توانايي هاي ترسيمي بالايي هستند.
نمايش ميدان هندسي و شبکه
ترسيمات بردار
ترسيمات خط و سايه10
ترسيمات سطح دو بعدي و سه بعدي
مسير حرکت ذره
نمايش نتايج به صورت رنگي
حل کننده
در اين جا سه روش مجزا براي روش‌هاي عددي وجود دارد که عبارتند از:
اختلاف محدود ، عناصر محدود و حجم محدود
اختلاف محدود
در اين روش مجهولات ? مسأله جريان را با استفاده از همسايه‌هاي هر نقطه در نقاط گره مربوط به صورت شبکه خطوط مختصات تعيين مي‌کنند. اغلب از بسط‌هاي تيلور منقطع براي به دست آوردن تقريب‌هاي اختلاف محدود مشتقات ? در عبارات همسايه‌هاي نقطه ? در هر شبکه و در همسايه‌هاي آن استفاده مي‌شود، بنابراين مشتقات ظاهر شده در معادلات حاکم توسط اختلاف محدود جايگذاري شده و يک معادله جبري براي مقادير ? در هر نقطه از شبکه را مي‌دهند.
عناصر محدود
در روش عناصر محدود از توابع تکه‌اي ساده (خطي يا درجه دوم) که براي عناصر ارزش داشته باشند به منظور شرح تغييرات محلي متغيرهاي مجهول جريان? استفاده مي‌شود. معادلات حاکم با استفاده از حل دقيق ? کاملاً ارضا مي‌شوند. اگر توابع تقريب تکه‌اي براي ? در معادله جايگذاري شوند معادله دقيقاً ارضا نخواهد شد و يک باقي‌مانده براي اندازه‌گيري خطاها تعريف مي‌شود. سپس باقي‌مانده‌ها در برخي جهات توسط ضرب آن‌ها در يک مجموعه‌اي از توابع وزني و انتگرال‌گيري به حداقل مي‌رسند، در نتيجه ما يک مجموعه‌اي از معادلات جبري براي ضرائب مجهول توابع تقريب به دست مي‌آوريم.
حجم محدود
اين روش در ابتدا به عنوان يک فرمول‌بندي اختلاف محدود ويژه توسعه يافت. انتگرال‌گيري از حجم کنترل، روش حجم محدود را از ساير روش‌هاي CFD متمايز مي‌نمايد. نتيجه اظهارات دقيق، بقاء خواص مربوطه را براي هر سلول به اندازه محدود بيان مي‌کند. اين رابطه روشن بين الگوريتم عددي و قاعده کلي بقاء اصلي فيزيکي، يکي از جاذبه‌هاي اصلي روش حجم محدود را تشکيل مي‌دهد.
نرم‌افزار FLUENT ANSYS اساس روش حل آن حجم محدود11 مي باشد و چون در اين تحقيق از نرم افزارFLUENT ANSYS استفاده شده است لذا به تفسير روش حجم محدود مي پردازيم.
تشريح عملکرد حل کننده12
اساس حل مسائل در نرم‌افزار FLUENT ANSYS روش حجم محدود مي‌باشد و فرم گسسته شده معادلات پايستگي در نهايت بصورت زير در مي‌آيد.
انديس nb نمايان‌گر سلول هاي همسايه P مي‌باشد.
a_P ?_P=?_nb??a_nb ?_nb ?+b
شکل 1-1 : فرم گسسته شده معادلات پايستگي
در حالت دو بعدي هر سلول داراي 4 سلول همسايه (E,N,W,S) مي‌باشد ‌و در حالت سه بعدي 6 سلول. در هندسه با مش نامنظم تعداد سلول هاي نامنظم به شکل سلول و Topology مش بستگي دارد. معادله بالا براي تمام متغير‌ها (سرعت، دما، غلظت اجزاء و …) نوشته مي‌شود. حل حجم محدود به دو روش Segregated و Couple انجام مي‌شود که تفاوت اين دو روش در فلوچارت مربوط به آن آمده است.

نمودار 1-2 : روش Segregated
نمودار 1-3 : روش coupled
در صورتي که سيالي غير قابل تراکم داشته باشيم در معادله بقاء مومنتم معادله مستقلي براي شيب فشار وجود ندارد لذا معمولا يک ميدان فشار حدس زده مي شود و با معادله تصحيح فشاري که از معادله‌ي پيوستگي به دست مي آيد، تصحيح مي شود (روش Segregated). در صورتي که سيال گاز باشد فشار با چگالي و دما ارتباط دارد و مي توان معادلات را هم زمان حل کرد (روش Coupled).
1-5-4 ) نرم افزارهاي CFD
همانطور که قبلاً گفته شده، استفاده از زبان‌هاي برنامه‌نويسي با توجه به سليقه‌هاي مختلف برنامه‌نويسان و محققان CFD منجر به ظهور نرم‌افزارهاي مختلفي جهت مطالعه ديناميک سيالات يا کاربردهاي مختلف گرديد. برخي از اين نرم‌افزارها عبارتند از:
Fluent ( UK and US )
Fidap (US)
Polyflow (Belgium )
Phoenix ( UK )
Star CD ( UK )
Ansys / CFX ( UK )
Flow 3d ( US )
Esi / Cfdrc ( US )
Scryu ( japan )
Viscous ( US )
Nastran ( US )
بيشتر نرم افزارهاي CFD به روش المان محدود13 ، در حالت 2D و 3D (حجم محدود) عمل مي کنند.
جريان هاي فازي
تعداد زيادي از جريان‌هاي فرآيندي شامل مخلوطي از فازها هستند. فازهاي فيزيکي مواد شامل گاز، مايع و جامد است. اما مفهوم فاز در سيستم جريان چند فازي به معني گسترده‌تري به کار برده مي‌شود. در جريان چند فازي، يک فاز قسمتي از جريان است که قابليت تفکيک آن وجود دارد و نسبت به ميدان پتانسيلي که در آن قرار مي‌گيرد پاسخ داده و با ساير فازها برهمکنش دارد. مثلاً ذرات جامد با اندازه‌هاي مختلف از همان ماده را مي‌توان به عنوان فازهاي متفاوت در نظر گرفت چون هر مجموعه ذرات با اندازه يکسان داراي عکس العمل ديناميکي مشابه به ميدان جريان خواهند بود.

) رژيم هاي چند فازي
رژيم‌هاي جريان چند فازي را مي‌توان به چهار دسته کلي زير طبقه‌بندي کرد:
جريان‌هاي گاز – مايع و يا مايع – مايع
جريان‌هاي گاز – جامد
جريان‌هاي مايع – جامد
جريان‌هاي سه فازي
جريان‌هاي گاز – مايع يا جريان هاي مايع – مايع
رژيم‌هاي زير جريان‌هاي گاز – مايع يا مايع – مايع هستند:
جريان حبابي14 – جريان گسسته‌ي گازي يا حباب‌هاي سيال در يک محيط پيوسته است.
جريان قطره15 – جريان گسسته‌ي قطرات سيال16 در يک فاز پيوسته است.
جريان اسلاگ17 – جريان حباب‌هاي بزرگ گاز در يک سيال پيوسته است.
جريان سطح -آزاد / لايه‌اي18 – جريان سيالات غيرقابل امتزاج شده با يک فصل مشترک تعريف شده‌ي آشکار است.
جريان هاي گاز – جامد
رژيم هاي زير جريان هاي گاز – جامد هستند :
جريان هاي پر – ذره19 – جريان ذرات جامد با نسبت وزني بالا در يک گاز است.
انتقال نيوماتيک20 – حمل ذرات جامد توسط جريان گاز است که به فاکتورهايي از قبيل مقدار جامد، عدد رينولدز و خواص ذرات بستگي دارد. الگوهاي نمونه شامل جريان شني21، جريان اسلاگ و جريان يکنواخت22 مي‌باشند.
بستر سيال 23- متشکل از يک استوانه‌ي عمودي حاوي ذرات است که در آن گاز از طريق توزيع کننده وارد مي‌شود. گازي که از ميان بستر بالا مي‌آيد ، موجب معلق نگه داشتن ذرات جامد مي‌شود. تشديد اختلاط داخل بستر به شدت جريان گاز، ظاهر شدن و بالا رفتن حباب‌ها از ميان بستر بستگي دارد. براي تشريح اين رژيم‌ها شکل 1-2 را ببينيد.
شکل 1-2 : رژيم هاي جريان چند فازي
جريان‌هاي مايع – جامد
رژيم‌هاي زير جريان هاي مايع – جامد هستند:
جريان دوغابي24 – اين جريان انتقال ذرات جامد در مايعات مي باشد. رفتار جريان‌هاي مايع – جامد با خواص ذرات جامد نسبت به مايع فرق مي‌کند. در جريان‌هاي دوغابي عدد استوک معمولاً کمتر از يک است. وقتي عدد استوک بزرگ‌تر از يک باشد، جريان سيال شده مايع – جامد به وجود مي‌آيد.
انتقال با آب25 – بيان کننده‌ي توزيع متراکم ذرات جامد در محيط مايع است.
ته نشيني26 – بيان کننده‌ي يک ستون بلند است که در ابتدا حاوي مخلوط پراکنده يکنواخت از ذرات مي باشد. ذرات در پايين ستون به آرامي مي‌نشينند و تشکيل يک لايه‌ي لجن مي‌دهند. در بالا يک فصل مشترک شفاف ظاهر مي‌شود و در وسط يک قسمت ته‌نشيني ثابت به وجود مي‌آيد. براي تشريح اين رژيم ها شکل 1-2 را ببينيد.
جريان هاي سه فازي
جريان‌هاي سه فازي ترکيبي از رژيم‌هاي جريان گفته شده در قسمت‌هاي قبلي است.

) مثال‌هايي از سيستم هاي چند فازي
مثال‌هاي خاص هر رژيم شرح داده شده در قسمت 1-1 در جدول زير آمده است.
جدول 1-2 : مثال هاي جريان هاي سيستم هاي چند فازي
جريان حبابيهوادهي، پمپ هاي هواگرد27، کاويتاسيون، تبخيرکننده‌ها، شناورسازي و اسکرابرهاجريان قطره‌ايجذب کننده‌ها، اتمايزرها، محفظه‌هاي احتراق، خشک کن‌ها، تبخيرکننده ها، خنک کننده‌هاي گاز و اسکرابرهاجريان اسلاگحرکت حباب بزرگ در لوله‌هاي انتقال و مخازنجريان سطح – آزاد / لايه‌ايدستگاه‌هاي جدا کننده لجن و جوشش و ميعان در راکتورهاي هسته‌ايجريان‌هاي پر ذرهجداکننده هاي سيکلون، طبقه‌بندي کننده‌ي 28، جمع کننده‌هاي غبار و جريان‌هاي گاز همراه با غبارانتقال نيوماتيکانتقال سيمان، دانه و پودر فلزيبستر سيالراکتورهاي بستر سيال، بسترهاي سيال چرخشيجريان دوغابيانتقال دوغابي و فرآيندهاي معدنيانتقال با آبفرآيندهاي معدني و سيستم هاي زيست فنآوريته نشينيفرآيندهاي معدني
) انتخاب يک مدل چند فازي
قدم اول در حل هر مسأله‌ي چند فازي، تعيين مدل مناسب رژيم جريان و چگونگي تعيين محل فصل مشترک براي جريان‌هاي حاوي حباب‌ها، قطرات و يا ذرات مي‌باشد که در ادامه به معرفي ديدگاه‌هاي مختلف جريان‌هاي چند فازي پرداخته شده است.
ديدگاه‌هاي مدل سازي جريان هاي چند فازي
پيشرفت در مکانيک سيالات محاسباتي29، بنياني براي درک بيشتر ديناميک جريان‌هاي چند فازي را فراهم کرده است. در حال حاضر دو ديدگاه اولر- لاگرانژ30 و ديدگاه اولر – اولر31 براي محاسبه‌ي عددي جريان هاي چند فازي وجود دارد.
ديدگاه اولر – اولر
در ديدگاه اولر – اولر، فازهاي مختلف به صورت رياضي به عنوان محيط‌هاي پيوسته‌ي در هم نفوذکننده32 در نظر گرفته مي‌شوند. از آنجائيکه حجم يک فاز نمي‌تواند توسط فازهاي ديگر اشغال شود. مفهوم کسر حجمي فازي وارد معادلات مي‌شود. کسر حجمي فازها به صورت توابعي پيوسته از فضا و مکان تعريف مي‌شوند و مجموع آنها برابر يک است. معادلات بقاء به منظور به دست آوردن مجموعه معادلات حاکم که داراي ساختار يکسان براي تمام فازها هستند، به کار برده مي‌شوند. اين معادلات توسط روابط کمکي33 که از فرمول هاي تجربي به دست آمده‌اند يا در حالت جريان‌هاي دانه‌ا‌ي با به کارگيري تئوري سينتيک، کامل مي‌شوند. در نرم‌افزار سه مدل مختلف چند فازي اولر – اولر در دسترس مي‌باشد.

مدل حجم سيال (VOF)، مدل مخلوط34 و مدل اولري
مدل VOF
مدل VOF، تکنيک ردگيري سطح مشترک فازها براي مش اولري ثابت است. اين مدل براي دو يا چند سيال غير قابل امتزاج، که مکان فصل مشترک آن‌ها مورد نظر است، طراحي شده است. در مدل VOF يک سري معادلات مومنتم به جريان چند فازي اختصاص داده مي‌شود و کسر حجمي هر يک از فازها در هر سلول محاسباتي تعيين مي شود. کاربرد مدل VOF براي جريان‌هاي لايه‌اي، جريان‌هاي سطح آزاد، حرکت حباب در يک مايع، حرکت آب بعد از شکسته شدن سد، پيش‌بيني حرکت جت سيال (کشش سطحي) و رد گيري پايا35 يا گذراي36 هر نوع فصل مشترک گاز – مايع مي‌باشد.
مدل مخلوط
مدل مخلوط براي دو فاز يا بيشتر طراحي شده است. در اين مدل همانند مدل اولري، فازها به عنوان يک محيط پيوسته‌ي در هم نفوذ کننده در نظر گرفته شده و معادلات مومنتوم براي مخلوط حل و از سرعت هاي نسبي جهت تشريح فازهاي پراکنده استفاده مي‌شود. مدل مخلوط براي جريان‌هاي پر ذره با بار کم، جريان هاي حبابي، ته‌نشيني و جداکننده‌هاي سيکلوني به کار برده مي‌شود. مدل مخلوط را همچنين مي‌توان بدون سرعت‌هاي نسبي براي فازهاي پراکنده، جهت مدل کردن جريان چند فازي يکنواخت نيز استفاده کرد.
مدل اولري
مدل اولري پيچيده‌ترين مدل چند فازي در نرم افزار است. اين مدل معادلات مومنتوم و پيوستگي را براي هر فاز حل مي‌کند. ارتباط اين معادلات از طريق فشار و ضرايب تبادل بين فازي صورت مي‌گيرد. اين ارتباط به نوع فازها بستگي دارد. به عنوان مثال براي جريان دانه‌اي (سيال – جامد) متفاوت با جريان غيردانه‌اي (سيال- سيال) مي‌باشد. براي جريان‌هاي دانه‌اي، خواص از به کارگيري تئوري سينتيک به دست مي‌آيند. تبادل مومنتوم ميان فازها نيز به نوع مخلوطي که بايد مدل شود بستگي دارد. ضمناً توابع تعريف شده توسط کاربر37 (UDF) در نرم افزار فلوئنت اجازه بهبود محاسبات تبادل مومنتوم بين فازها را به شما مي دهند. کاربرد مدل چند فازي اولري براي ستون‌هاي حبابي، رايزرها، سوسپانسيون‌هاي ذره‌اي و بستر سيال مي‌باشد.
) مقايسه‌ي مدل‌ها
به طور کلي، پس از تعيين رژيم جريان براي سيستم چند فازي مي‌توان مدل مناسب را بر مبناي راهنمايي‌هاي زير انتخاب کرد:
براي جريان‌هاي حبابي، از مدل VOF استفاده مي‌شود.
براي جريان‌هاي سطح – آزاد/ لايه‌اي، از مدل VOF استفاده مي‌شود.
براي انتقال نيوماتيک در صورتي که جريان هموژن باشد، از مدل مخلوط و براي جريان دانه‌اي از مدل اولري استفاده مي‌شود.
براي بسترهاي سيال با جريان دانه‌اي از مدل اولري استفاده مي شود.
براي جريان‌هاي دوغابي و انتقال با آب، از مدل مخلوط يا اولري استفاده مي‌شود.
براي ته نشيني از مدل اولري استفاده مي‌شود.
براي جريان‌هاي چند فازي پيچيده معمولي که شامل رژيم‌هاي جريان چند گانه است، الگوي جرياني که بيشتر مورد نظر است را انتخاب و مدلي که براي اين الگو مناسب‌تر است انتخاب مي‌شود.
به طور کلي مدل VOF براي جريان هاي لايه اي يا سطح آزاد و مدل هاي مخلوط يا اولري براي جريان‌هايي که فازها مخلوط يا جدا مي‌شوند و يا کسرهاي حجمي فاز پراکنده از 10% بيشتر است، مناسب مي‌باشد. جريان‌هايي که در آن کسرهاي حجمي فاز پراکنده کمتر از 10% است را مي‌توان با استفاده از مدل فاز گسسته38 مدل کرد.
راهنماي انتخاب ميان مدل هاي مخلوط و اولري
اگر توزيع گسترده‌اي از فاز پراکنده داشته باشيم مثلاً اگر اندازه ذرات فرق کند و ذرات نتوانند از ميدان جريان اوليه جدا شوند، مدل مخلوط ترجيح داده مي‌شود، چون هزينه‌ي محاسباتي کمتر مي‌باشد. اگر فاز پراکنده در بخشي از دامنه غليظ باشد، بايد مدل اولري انتخاب شود.
اگر قوانين دراگ مناسب براي سيستم در دسترس باشد، مدل اولري معمولا نتايج دقيق‌تري نسبت به مدل مخلوط مي‌دهد، ولو اين که بتوان همان قانون دراگ را براي مدل مخلوط به کار برد. اگر قوانين دراگ فصل مشترک نامعلوم هستند يا قابليت به کارگيري آن‌ها براي سيستم به طور کامل وجود نداشته باشد، ممکن است مدل مخلوط انتخاب بهتري باشد. براي بيشتر حالات با ذرات کروي قانون Schiller-Naumann مناسب بوده و براي ذرات غير کروي بايد از UDF استفاده شود.
اگر بخواهيم يک مسأله‌ي ساده‌تر که نياز به محاسبات کمتري دارد را حل کنيم، مدل مخلوط گزينه‌ي بهتري است، چون تعداد معادلات کمتري نسبت به مدل اولري حل مي‌کند. وقتي دقت مهم‌تر از ميزان محاسبات است، مدل اولري انتخاب بهتري است. لازم به يادآوري است که مدل اولري به خاطر پيچيدگي نسبت به مدل مخلوط از نظر محاسباتي پايداري کمتري دارد. همچنين مدل‌هاي چند فازي فلوئنت با طرح مدل‌سازي مش ديناميک39 سازگار مي‌باشند.
براي جريان‌هاي لايه‌اي و اسلاگ، انتخاب مدل VOF درست‌تر است.
فصل دوم
مقدمه
فصل 2 مقدمه
هدف از اين فصل ، ارائه توصيف مختصري از کارهاي تحقيقاتي مي باشد که با مقدمه ، بيان و موانع شبيه سازي جريان حبابي شروع مي شود . سپس، انگيزه و هدف اين کار توضيح داده مي شود.
رئوس مطالب براساس مروري از اين پايان نامه در انتهاي فصل آورده شده است.
2-1) دورنما
جريان چندفازي به طور گسترده اي در کاربردهاي صنعتي مختلفي وجود دارد و تحقيقات دانشگاهي ، (به طور خاص جريان دو فازي گاز – مايع) مي تواند يکي از گسترده ترين کاربردهاي جريان باشد. مشخصات جريان دو فازي حبابي به صورتي است که در آن حباب هاي منفرد در فاز پيوسته مايع پراکنده شده اند و بيشينه اندازه حباب ها به صورت قابل ملاحظه اي کوچکتر از قطر لوله است(اکامبارا و همکاران 2008). جريان حبابي مي تواند بسته به انتقال انرژي بين سطحي بين فاز حباب هاي پراکنده شده و فاز پيوسته مايع، همدما يا گرمايي باشد.
جريان دوفازي حبابي اهميت مهمي در بسياري از کاربردهاي صنعتي دارد. در مهندسي هسته اي ، حباب هاي کوچک پراکنده فرصت دارند که مساحت بين سطحي بزرگي را ارائه کنندکه بازده انتقال حرارت و گرما را بهبود مي بخشد. در کاربردهاي صنعتي مختلف مثل فرآيندهاي شيميايي، بسياري از تجهيزات تماسي در شرايط جريان حبابي پراکنده اجرا مي شوند تا بيشينه مساحت بين سطحي براي برخورد ذرات مشخص شده به دست آيد (ذرات معدني در سلول شناوري). همچنين، عدم وجود دانش پايه اي در اين زمينه مي تواند قابليت توليد صنعتي را کاهش دهد و مي تواند حتي باعث به وجود آمدن حوادٍث جبران ناپذيري در زمينه هاي هسته اي شود.
در کل، سه روش براي بررسي مکانيزم جريان حبابي وجود دارد، روشهاي تجربي، عددي و تئوري. با توجه به پيشرفت قدرت رايانه ها و توسعه نرم افزارهاي مدلسازي پيشرفته ، مطالعات زيادي ، مدلسازي جريان دو فازي را با استفاده از روشهاي ديناميک سيالات محاسباتي(CFD) در دهه اخير گسترش داده اند. اين اندازه هاي هندسي و پارامترهاي جريان مطالعات شبيه سازي معمولا مشابه کار تجربي در رفتار هيدروديناميکي، انتقال حرارت و جرم، رژيم جريان و رفتار اختلاط را در کاربردهاي صنعتي تنظيم مي کنند. با در نظر گرفتن کاربرد CFD، به طور قابل توجهي در مقايسه با موارد تجربي براساس روش هاي مختلف، زمان و هزينه در طراحي و توليد کاهش مي يابد. ويژگي ديگر روش CFD اين است که مي تواند اطلاعات جزئي، کامل ميکروسکوپيک يا محلي ارائه کند که ممکن است به دست آوردن آن با روشهاي تجربي دشوار باشد. علاوه بر اين، CFD مزيت منحصر به فرد ديگري دارد که قابل اعمال به شبيه سازي شرايط جرياني خاص است که براي تست هاي تجربي مناسب نيست..
در تحقيقات عددي جريان دو فازي حبابي، به دليل وجود حرکت نسبي يک فاز با توجه به ديگري



قیمت: تومان


پاسخ دهید