هدف از این فصل ، ارائه توصیف مختصری از کارهای تحقیقاتی می باشد که با مقدمه ، بیان و موانع شبیه سازی جریان حبابی شروع می شود . سپس، انگیزه و هدف این کار توضیح داده می شود.
رئوس مطالب براساس مروری از این پایان نامه در انتهای فصل آورده شده است.
۲-۱) دورنما
جریان چندفازی به طور گسترده ای در کاربردهای صنعتی مختلفی وجود دارد و تحقیقات دانشگاهی ، (به طور خاص جریان دو فازی گاز – مایع) می تواند یکی از گسترده ترین کاربردهای جریان باشد. مشخصات جریان دو فازی حبابی به صورتی است که در آن حباب های منفرد در فاز پیوسته مایع پراکنده شده اند و بیشینه اندازه حباب ها به صورت قابل ملاحظه ای کوچکتر از قطر لوله است(اکامبارا و همکاران ۲۰۰۸). جریان حبابی می تواند بسته به انتقال انرژی بین سطحی بین فاز حباب های پراکنده شده و فاز پیوسته مایع، همدما یا گرمایی باشد.
جریان دوفازی حبابی اهمیت مهمی در بسیاری از کاربردهای صنعتی دارد. در مهندسی هسته ای ، حباب های کوچک پراکنده فرصت دارند که مساحت بین سطحی بزرگی را ارائه کنندکه بازده انتقال حرارت و گرما را بهبود می بخشد. در کاربردهای صنعتی مختلف مثل فرآیندهای شیمیایی، بسیاری از تجهیزات تماسی در شرایط جریان حبابی پراکنده اجرا می شوند تا بیشینه مساحت بین سطحی برای برخورد ذرات مشخص شده به دست آید (ذرات معدنی در سلول شناوری). همچنین، عدم وجود دانش پایه ای در این زمینه می تواند قابلیت تولید صنعتی را کاهش دهد و می تواند حتی باعث به وجود آمدن حوادٍث جبران ناپذیری در زمینه های هسته ای شود.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

در کل، سه روش برای بررسی مکانیزم جریان حبابی وجود دارد، روش های تجربی، عددی و تئوری. با توجه به پیشرفت قدرت رایانه ها و توسعه نرم افزارهای مدلسازی پیشرفته ، مطالعات زیادی ، مدلسازی جریان دو فازی را با بهره گرفتن از روش های دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) در دهه اخیر گسترش داده اند. این اندازه های هندسی و پارامترهای جریان مطالعات شبیه سازی معمولا مشابه کار تجربی در رفتار هیدرودینامیکی، انتقال حرارت و جرم، رژیم جریان و رفتار اختلاط را در کاربردهای صنعتی تنظیم می کنند. با در نظر گرفتن کاربرد CFD، به طور قابل توجهی در مقایسه با موارد تجربی براساس روش های مختلف، زمان و هزینه در طراحی و تولید کاهش می یابد. ویژگی دیگر روش CFD این است که می تواند اطلاعات جزئی، کامل میکروسکوپیک یا محلی ارائه کند که ممکن است به دست آوردن آن با روش های تجربی دشوار باشد. علاوه بر این، CFD مزیت منحصر به فرد دیگری دارد که قابل اعمال به شبیه سازی شرایط جریانی خاص است که برای تست های تجربی مناسب نیست..
در تحقیقات عددی جریان دو فازی حبابی، به دلیل وجود حرکت نسبی یک فاز با توجه به دیگری که با تفاوت های چگالی و ویسکوزیته بین دو فاز ایجاد می شود، دو زمینه سرعتی جدا باید در هر تحقیق از مسائل جریان دو فازی در نظر گرفته شود. انتقال کلی مساله جریان دو فازی می تواند با بهره گرفتن از مدل دو سیالی یا مدل یک مخلوط فرموله شود(ایشی ۱۹۷۵). مدل دو سیالی هر فاز را به صورت جدا با در نظر گرفتن دو مجموعه از معادلات استفاده که موازنه جرم، مومنتوم و انرژی هر فاز با انتقال بین سطحی ظاهر شده در هر معادله برای اتصال دو تاثیر فازی مختلف است، فرموله می کند. یک مدل ساده مخلوط ، مثل مدل شار راندگی^[۴۰](زوبر ۱۹۶۷) می تواند با جایگزینی دو معادله مومنتوم با یک معادله مومنتوم مخلوط و روابط سرعت نسبی به دست آید. چنین مدل ساده مخلوطی می تواند با کاهش دو معادله مومنتوم به یک معادله مومنتوم مخلوط، هزینه محاسباتی را کاهش دهد، با این حال، به دست آوردن روابط سرعت نسبی دشوار است که می تواند به صورت مناسب و همزمان رفتارهای دینامیکی هر دو فاز را در محدوده گسترده ای از شرایط جریانی بیان کند. برای به دست آوردن یک مدل که می تواند به صورت گسترده در محدوده های مختلف از کاربردهای صنعتی استفاده شود، مدل دو سیالی در نظر گرفته شده که در این مطالعه بررسی می شود.
درنتیجه تحقیقاتی که در مورد جریان حبابی همدما بدون انتقال حرارت و انرژی انجام شده است ، مشخص شده که مدل دو سیالی می تواند فقط به عنوان یک معادله مومنتوم و جرم هر فاز با جملات انتقال بین سطحی ساده شود. همانطور که در اولین کار ایشی(۱۹۷۵) بیان شده است، انتقالات بین سطحی جرم، مومنتوم معمولا ارتباط نزدیکی با سه جنبه مهم دارد: آشفتگی مایع، نیروهای محرک بین سطحی و غلظت های بین سطحی (مساحت بین سطحی در هر واحد).
بسیاری از جریانهای مهندسی در طبیعت به طور قابل توجهی آشفته هستند که در آن نوسانات در هر جریان براساس زمان و فاصله وجود دارد. در اصل، معادلات انتقال می تواند آشفتگی را بدون اطلاعات اضافی توصیف کند. با این حال، شبیه سازی مستقیم نیاز به توان محاسباتی گسترده دارد که نتایج به دست آمده آن بسیار بیشتر از مقدار پیش بینی شده است (ANSYS.FLUENT-14). معادلات فقط مقادیر متوسط جریان را بدون توجه به نیاز به حل دوباره نوسانات آشفته ، حل می کند. این روش به طور قابل توجهی زمان محاسبات را کاهش می دهد. با این حال، روند متوسط گیری ، ترم های اضافی نامعلوم را معرفی می کند که شامل محصولات مقادیر نوسانات است که تعیین مستقیم آنها دشوار است و می تواند تا دهه های مختلف مورد توجه محققان باشد. اطلاعات زیادی در تحقیقات قبلی انجام شده است (تیان ۲۰۰۷). تاکیدات تحقیق فعلی روی دو جنبه دیگر مدل دو سیالی شامل نیروهای محرکه بین سطحی و غلظت بین سطحی تمرکز دارد.
نیروی محرکه بین سطحی مهمترین ترم بسته مدل دو سیالی است که بیانگر انتقال مومنتوم بین دو فاز منفرد است. نیروی محرکه بین سطحی براساس انتقال بین سطحی معادله مومنتوم فرموله می شود. در حال حاضر، نیروی محرکه بین سطحی معمولا شامل نیروی دراگ^[۴۱]، نیروی برآ افقی^[۴۲]، نیروی لیزاندن دیواره ^[۴۳]و نیروی پراکندگی آشفته ^[۴۴]است. بین تمام نیروی محرکه بین سطحی، نیروی دراگ مهمترین مورد است چون بیانگر حرکت نسبی بین دو فاز مختلف است و حرکت های نسبی ، اطلاعات پایه ای برای محاسبه سایر نیروهای بین سطحی است.
غلظت بین سطحی توصیف کننده ناحیه بین سطحی موجود در واحد حجم برای انتقال بین سطحی جرم است، مومنتوم ، پارامتر کلیدی برای بازده انتقال حرارت و تولید تسهیلات صنعتی است. غلظت ناحیه بین سطحی می تواند از لحاظ ریاضی با عدد حباب در حجم فضایی خاص یعنی عدد چگالی حباب ^[۴۵]بیان شود. تغییر عدد چگالی حباب زمانی رخ می دهد که حباب ها با هم ادغام می شوند یا می شکنند که با مدل موازنه جمعیتی^[۴۶] ()توصیف می شود. موازنه جمعیتی در سیستم جریان حبابی گاز – مایع روی پیگیری تغییرات اندازه حباب ها در فضای محدود تحت پیوستن ها و شکست ها به دلیل برخوردها بین حباب ها و همچنین بین حباب ها و گردابه های آشفته تاکید می کند. معمولا، تعداد کلاسهای اندازه گسسته برای برآورد محدوده اندازه های پیوسته حباب استفاده می شود. برای هر کلاس، یک معادله اسکالر حل می شود که تغییرات جمعیتی ایجاد شده بین / داخل پیوستن با شکستگی حباب ها را ردیابی کند. اخیرا، روش گشتاورها^[۴۷]() و روش کاربردهای اضافی مورد توجه محققان دانشگاهی و مهندسین صنعتی است. همانطور که در بسیاری از تحقیقات گزارش شده است، روش های و گسترش یافته که مدل را خلاصه می کند، اساسا فقط با ردیابی رشد تعداد کمی از گشتاورها می تواند به عنوان یکی دیگر از روش های محتمل در تداوم راه حل های عملی برای اهداف کاربرد صنعتی در نظر گرفته شود.
۲-۲)انگیزه و هدف
به دلیل اینکه نیروهای محرکه و غلظت بین سطحی نقش مهمی در ارتباط فازهای گاز و مایع با توصیف برخوردهای بین این دو فاز به صورت جدا ، همانطور که قبلا گفته شده را ایفا می کند، مطالعه حاضر روی درک بهتر نیروی محرکه بین سطحی و روش موازنه جمعیتی تاکید دارد. سه هدف اصلی در این پایان نامه کامل شده است.
در ابتدا، تلاش برای بهبود مهمترین نیروی محرکه بین سطحی و نیروی دراگ، در مطالعه حاضر اعمال شده است. یک رابطه ضریب دراگ تجربی براساس کسر حجم خالی پیشنهاد شده توسط سیمونت و همکاران(۲۰۰۷) در نرم افزار ANSYS FLUENT اجرا شده است. با هدف ارزش گذاری عملکرد این مدل تجربی، نتایج پیش بینی عددی کسر حجم خالی متوسط گیری شده زمانی توزیع قطر حباب متوسط و سرعت گاز با داده های تجربی هیبیکی و همکاران(۲۰۰۱) تایید شده است. این پیش بینی های مدل دراگ تجربی با فرمولاسیون های ضریب دراگ که به طور گسترده توسط ایشی و زوبر(۱۹۷۹) مقایسه شده استفاده شده است. برای هر دو مدل سازگاری رضایت بخش به دست آمده است، با این حال، مدل سیمونت و همکاران(۲۰۰۷) عملکرد بهتری در پیش بینی کاهش نیروی دراگ ایجاد شده توسط حباب های همسایه به دلیل ملاحظات اضافی برای بسته های حباب نزدیک، نشان می دهد(لی و همکاران ۲۰۰۹).
دومین هدف این پایان نامه، ارزیابی قابلیت در شبیه سازی جریان حبابی توزیع شده نامتقارن در پیکربندی افقی است. جریان حبابی افقی معمولا در بسیاری از سیستم های صنعتی وجود دارد، با این حال، این جهت گیری جریان نسبت به جریان حبابی عمودی مورد توجه کم محققان بوده است(ایکامبارا و همکاران ۲۰۰۸). به دلیل تاثیر شناوری، مهاجرت حباب های پراکنده رو به بالا در لوله افقی سبب توزیع فاز داخلی نامتقارن می شود که نسبت به جریان حبابی عمودی در مشاهدات تجربی و شبیه سازی های عددی، پیچیدگی بیشتری دارد. در این مطالعه، مدل ABND^[48] در جریان حبابی افقی برآورد شده است و با داده های تجربی کوکاموستافوگولاری و هونگ(۱۹۹۴) تایید شده است. در کل، مدل عددی در مقایسه با داده های تجربی، پیش بینی های منطقی دارد. نتایج بیانگر نتایج امیدوارکننده ای است که عدد چگالی حباب متوسط (ABND) احتمالا پیش بینی های منطقی حتی در جریان هایی با توزیع فاز غیرمتقارن ارائه می کند(لی و همکاران ۲۰۱۱).
سوم، روش موازنه جمعیتی توسعه داده شده اخیر، مدل ربعی مستقیم گشتاور(DQMOM^[49]) ارائه شده توسط مارکیسیو و فوکس(۲۰۰۵) در نرم افزار ANSYS FLUENT در کار این پایان نامه اجرا شده است. مدل ،الهام گرفته از مدل ، یک روش جایگزین برای حل با انتقال مساله با درجه کمتر گشتاور توزیع اندازه ذرات(PSD) است. در تحقیق حاضر، توزیع های پیش بینی شده شعاعی متوسط زمانی کسر حجمی و متوسط زمانی قطر متوسط حباب با داده های تجربی و تایید شده است. نتایج رضایت بخش به دست آمده بین شبیه سازی های عددی و اندازه گیری های تجربی ، اطلاعات ارزشمندی ارائه می کند که نشان می دهد مدل می تواند به عنوان یکی از روش های موازنه ای اساسی برای کاربردهای صنعتی در نظر گرفته شود، چون قابلیت به دست آوردن پیش بینی های منطقی با هزینه محاسباتی کنترل شده را دارد.
۲-۳)حیطه و طرح کلی پایان نامه
محتوای پنج فصل باقی مانده به صورت زیر است:
در فصل ۳، اول الگوی ساده جریان های دو فازی گاز – مایع در لوله های افقی و عمودی و نقشه های رژیم جریانی آنها معرفی می شود. مخصوصا روی مشخصات جریان حبابی همدما تاکید شده است. مفهوم و مکانیزم های برخوردی آن نیز در فصل ۳ توضیح داده شده است.
فصل ۴، به بررسی روش های عددی و ریاضی می پردازد. این فصل، اصول ، مدل نیروی بین سطحی ^[۵۰]و مدل آشفته ^[۵۱]را توضیح می دهد که فرمولاسیون های مفید برای حل مدل دو سیالی و سه جمله بسته آن است.
هدف اولیه فصل ۵، ارزیابی قابلیت یک مدل تجربی فرموله شده ارائه شده توسط سیمونت و همکاران (۲۰۰۷) و مقایسه آن با مدل معمولی ایشی و زوبر(۱۹۷۹) است. این دو مدل با داده های تجربی هیبیکی و همکاران(۲۰۰۱) تایید شده است.
در فصل ۶، یک مدل موازنه جمعیتی ساده به نام روش عدد چگالی متوسط حباب برای شبیه سازی توزیع داخلی فاز جریان حبابی هوا- آب در یک لوله افقی با قطر داخلی ۳/۵۰ میلی متر اعمال شده است که در آن پارامترهای محلی نامتقارن توزیع شده اند. با هدف ارزیابی عملکرد مدل در سناریوهای جریانی وسیع، چهار شرایط جریانی منفرد با کسر حجمی متوسط از ۴/۴% تا ۲۰ % مدلسازی شده است. توزیع شعاعی پیش بینی شده کسر خالی، غلظت ناحیه بین سطحی (IAC^[52]) و سرعت گاز با داده های تجربی کوکاموستافوگولاری و هونگ(۱۹۹۴) تایید شده است.
در فصل۷، قابلیت روش موازنه جمعیتی توسعه داده شده اخیر، روش گشتاور ربعی مستقیم(DQMOM) ارائه شده توسط مارکیسو و فوکس(۲۰۰۵) با مقایسه داده های تجربی MTLOOP و TOPFLOW بررسی شده است. در این فصل، اول طرح روش گشتاور معرفی شده است. سپس، اطلاعات جزئی بیشتری با توجه به تنظیمات تجربی وعددی ارائه شده است. دنباله بحث نتایج عددی پیش بینی شده و داده های اندازه گیری شده تجربی، توصیه های تحقیقاتی آینده در انتهای فصل آورده شده است.
نتیجه گیری و توصیه ها در فصل ۸ آورده شده است. جهت گیری های تحقیق اضافی نیز پیشنهاد شده است.
فصل سوم
مروری بر مطالعات و تحقیقات انجام شده توسط محققان
فصل ۳ مروری بر تحقیقات والگو
فصل ۳ با توصیف نقشه جریان دو فازی گاز – مایع و توزیع رژیم آنها در نقشه دو بعدی به نام الگوهای جریان و نقشه رژیم در لوله های افقی و عمودی شروع می شود. اطلاعات خاص درباره مشخصات جریان حبابی و پدیده انتقال از جریان حبابی به جریان اسلاگ (لخته ای ) ، بیشتر ارائه شده است. روش عددی تحت عنوان مدل موازنه جمعیتی با بسیاری از سناریوها شناخته شده است که توانایی شبیه سازی مشخصات جریان حبابی پیچیده شامل تغییر شکل حباب، ادغام و شکست را دارد. اصل مدل موازنه جمعیتی و سابقه آن بیشتر توضیح داده شده است.
۳-۱) الگوهای جریان دو فازی گاز – مایع و نقشه رژیم در لوله های افقی و عمودی
مورفولوژی فازهای گاز و مایع به خاطر اینکه مکانیزم های اساسی انتقال حرارت به شدت از یک توزیع به دیگری تغییر می کند ، به عنوان اطلاعات ضروری وپایه ای شناخته شده است،. در مرحله اول تحقیق جریان دو فازی گاز- مایع، اهمیت ساختار جریان به صورت گسترده شناخته شده است؛ پس، تحقیق روی شناسایی و توصیف مخلوط جریان تاکید دارد(یانگ و همکاران ۲۰۰۴). با فراوانی تجربیات بصری جریان دو فازی گاز – مایع ، ساختارهای جریان در چندین دسته شناخته شده اند که تحت عنوان الگوهای جریان نامیده می شوند. زمانی که تحقیق اضافی منجر به یک انتقال از یک الگوی جریان به دیگری می شود، نقشه رژیم الگوهای جریان نیزبه عنوان دانش مهمی در نظر گرفته می شود.
۳-۱-۱) الگوهای جریان و نقشه رژیم در جریان لوله عمودی
با مشاهدات تجربی بسیاری در پیکربندی های عمودی جریان دو فازی گاز – مایع، برخی ساختارهای مشاهده شده معمول جریان شناسایی و دسته بندی شده است که در شکل ۱-۳ نشان داده شده است.
شکل ۱-۳٫ الگوهای جریان جریان دو فازی هوا-آب در لوله عمودی
همانطور که در شکل ۱-۳(a) نشان داده شده است، زمانی که کسر خالی گاز کم ولی سرعت های نسبی بین دو فاز بالاست، آشفتگی شدید ایجاد شده توسط سرعت های نسبی بالا می تواند به آسانی سرعت کم گاز را بشکند که باعث می شود که فاز گاز به شکل حباب های تقریبا گسسته و کروی در فاز پیوسته مایع پراکنده شود. حباب ها ممکن است اندازه های مختلفی داشته باشند، با این حال، بسیار کوچکتر از قطر لوله هستند. این ساختار جریان، جریان حبابی نامیده می شود.
با افزایش کسر خالی گاز، حباب ها به یکدیگر در محل های فضایی محدود شده فشرده می شوند که تمایل دارند که حباب های کوچک با هم برخورد کرده و بشکنند تا حباب های بزرگتر افزایش یابند. در شرایط جریان اسلاگ بیان شده در شکل ۱-۳(b)، این حباب های بزرگتر، که حباب های تیلور نامیده می شوند، تقریبا در ابعاد به قطر لوله مشابه اند و شکل گلوله دارند. مشاهده می شود که گلوله های مایع ، حباب های تیلور را جدا می کنند وممکن است شامل حباب های کوچک باشد. این حباب های کوچک به آسانی توسط حباب های تیلور به دلیل تاثیرات ضعیف آن مکیده می شود.
با افزایش پیوسته کسر خالی گاز، حباب های تیلور با یکدیگر ترکیب می شوند تا مایع را از مرکز لوله خارج کنند تا فیلم مایع نزدیک دیواره لوله تشکیل شود. با این حال، فیلم مایع ساختار ناپایدار دارد و مسیر نوسانی دارد. جریان فاز مایع بسته به نتایج ، بین نیروی گرانشی و برشی که روی فیلم نازک مایع اعمال می شوند، به سمت بالا یا پایین جریان دارند. نیروهای گرانشی و برشی نسبتا برابر بوده و در جهات مختلف روی فیلم مایع اعمال می شوند. این الگوی جریان تحت عنوان جریان گردنده( کف آلود) ^[۵۳]نامیده می شود که در شکل ۱-۳© رسم شده و یک رژیم میانی بین جریان اسلاگ و حلقوی است و ممکن نیست در شرایط جریانی با اندازه های مختلف لوله مشاهده شود.
زمانی که نیروی غالب روی فیلم مایع از نیروی برشی است که حاصل افزایش نسبی سرعت ها بین دو فاز است، فاز گاز مرکز لوله را به عنوان فاز پیوسته اشغال می کند در حالی که فیلم مایع نازک تر می شود و حلقه ای از مایع در دیواره تشکیل می دهد. در مقایسه با جریان گردابه ای، این الگوی جریان به نام جریان حلقوی ^[۵۴](رسم شده در شکل ۱-۳(d) ) یک شرایط جریانی پایدار با فرکانس های موجی روی سطح فاز مایع است. قطرات مایعی کمی ممکن است وارد دانه گاز شود.
برای کسر خالی گاز بالا، نیروی بین سطحی قوی نازک بودن فیلم مایع را سبب می شود و پایداری ساختار جریان را از بین می برد که منجر می شود که فاز مایع بیشتری به شکل قطرات وارد فاز پیوسته گاز شود. در این الگوی جریانی غباری(مه آلود )^[۵۵]، که در شکل ۱-۳(e) رسم شده است، دیدن قطره کوچک یا غبار بدون ابزار خاص مثل عدسی یا چراغ دشوار است.
بعد از جمع آوری اطلاعات خواص سیال و مشاهده الگوی جریانی در یک نمای روشن در بخش تست، مرحله بعدی تحقیق معمولا راهی برای انتقال مرزها بین رژیم ها در یک نمودار دو بعدی با بهره گرفتن از اطلاعات جریانی به دست آمده در آزمایشات است. بسیاری از نقشه های رژیم جریانی در این روش ارائه شده است. میشیما و ایشی (۱۹۸۴) تئوری معیار رژیم جریانی را برای جریان گاز – مایع رو به بالا در لوله عمودی توسعه داده و نقشه رژیم جریانی را با بهره گرفتن از پارامتر هندسی مستقیم کسر خالی ارائه کردند. نقشه رژیم جریانی گسترده میشیما و ایشی (۱۹۸۴) در لوله عمودی در شکل ۲-۳ نشان داده شده است.
شکل ۲-۳٫ نقشه رژیم جریان برای جریان دو فازی هوا-آب در لوله عمودی ارائه شده توسط میشما و ایشی(۱۹۸۴)
۳-۱-۲) الگوی جریانی و نقشه رژیم در جریان لوله افقی
الگوهای جریانی دو فازی در پیکربندی افقی پیچیده تر از جریانهای عمودی است چون نیروی گرانشی / شناوری نسبت به جهت اصلی ، جریان عمودی است که باعث می شود که فاز گاز / مایع به صورت غالب بالا / پایین لوله را اشغال کند یا حتی در برخی الگوهای جریان افقی لایه ای شود. شکل ۳-۳ بیانگر الگوهای جریان در لوله افقی است.
شکل ۳-۳٫ الگوهای جریان دوفازی ها- آب در لوله افقی
همانطور که در شکل ۳-۳(a) نشان داده شده است، جریان حبابی در لوله افقی همان الگوی جریان لوله عمودی را دارد اما حباب ها به دلیل شناوری بیشتر تمایل دارند که به نیمه بالایی لوله مهاجرت کنند. این شرایط جریانی معمولا در سرعت بالای مایع رخ می دهد که در آن آشفتگی قوی می تواند سبب مقابله با پیوستن حباب شود که در آن یا یکدیگر در همسایگی دیواره بالایی لوله فشرده می شوند.
با افزایش دبی جریان گاز و کاهش سرعت مایع، حباب ها در دیواره بالایی لوله فشرده می شوند تا حباب های گاز طویل بزرگ تشکیل شود که تحت عنوان جریان توپی یا غالبی^[۵۶]نامیده شده و در شکل ۳-۳(b) رسم شده است.