پایان نامه با کلید واژگان
شبیه سازی، پایان نامه، نرم افزار No category

است که مدل اولری به خاطر پیچیدگی نسبت به مدل مخلوط از نظر محاسباتی پایداری کمتری دارد. همچنین مدل‌های چند فازی فلوئنت با طرح مدل‌سازی مش دینامیک39 سازگار می‌باشند.
برای جریان‌های لایه‌ای و اسلاگ، انتخاب مدل VOF درست‌تر است.
فصل دوم
مقدمه
فصل 2 مقدمه
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.
2-1) 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 2008). 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.
در کل، سه روش برای بررسی مکانیزم جریان حبابی وجود دارد، روشهای 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 استفاده از روشهای 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 روشهای 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 استفاده از مدل دو سیالی یا مدل یک مخلوط فرموله شود(ایشی 1975). 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 راندگی40(زوبر 1967) 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(1975) 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 a_if (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 2007). 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 دراگ41، نیروی برآ افقی42، نیروی لیزاندن دیواره 43و نیروی پراکندگی آشفته 44است. 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 a_if 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 45بیان شود. تغییر عدد چگالی حباب زمانی رخ می دهد که حباب ها با هم ادغام می شوند یا می شکنند که با مدل موازنه جمعیتی46 (PBM)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 گشتاورها47(MOM) و روش کاربردهای اضافی مورد توجه محققان دانشگاهی و مهندسین صنعتی است. همانطور که در بسیاری از تحقیقات گزارش شده است، روشهای MOM و گسترش یافته که مدل BPM را خلاصه می کند، اساسا فقط با ردیابی رشد تعداد کمی از گشتاورها می تواند به عنوان یکی دیگر از روشهای محتمل در تداوم راه حل های عملی برای اهداف کاربرد صنعتی در نظر گرفته شود.
2-2)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(2007) 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(2001) تایید شده است. این پیش بینی های مدل دراگ تجربی با فرمولاسیون های ضریب دراگ که به طور گسترده توسط ایشی و زوبر(1979) مقایسه شده استفاده شده است. برای هر دو مدل سازگاری رضایت بخش به دست آمده است، با این حال، مدل سیمونت و همکاران(2007) 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 2009).
دومین هدف این پایان نامه، ارزیابی قابلیت PBM 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 2008). 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 ABND48 در جریان حبابی افقی برآورد شده است و با داده های تجربی کوکاموستافوگولاری و هونگ(1994) 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 2011).
سوم، روش موازنه جمعیتی توسعه داده شده اخیر، مدل ربعی مستقیم گشتاور(DQMOM49) ارائه شده توسط مارکیسیو و فوکس(2005) در نرم افزار ANSYS FLUENT در کار این پایان نامه اجرا شده است. مدل DQMOM،الهام گرفته از مدل MOM، یک روش جایگزین برای حل PBM 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 MTLOOP و TOPFLOW 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 DQMOM می تواند به عنوان یکی از روشهای 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.
2-3)حیطه و طرح کلی پایان نامه
محتوای پنج فصل باقی مانده به صورت زیر است:
در فصل 3، 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 PBM و مکانیزم های برخوردی آن نیز در فصل 3 توضیح داده شده است.
فصل 4، به بررسی روشهای عددی و ریاضی می پردازد. این فصل، اصول PBM ، مدل نیروی بین سطحی 50و مدل آشفته 51را توضیح می دهد که فرمولاسیون های مفید

دسته‌ها: No category

دیدگاهتان را بنویسید