پایان نامه با کلید واژگان
نرم افزار، جذب کننده، مدل سازی No category

ا (سرعت، دما، غلظت اجزاء و …) نوشته می‌شود. حل حجم محدود به دو روش Segregated و Couple انجام می‌شود که تفاوت این دو روش در فلوچارت مربوط به آن آمده است.
نمودار 1-2 : روش Segregated
نمودار 1-3 : روش coupled
در صورتی که سیالی غیر قابل تراکم داشته باشیم در معادله بقاء مومنتم معادله مستقلی برای شیب فشار وجود ندارد لذا معمولا یک میدان فشار حدس زده می شود و با معادله تصحیح فشاری که از معادله‌ی پیوستگی به دست می آید، تصحیح می شود (روش Segregated). در صورتی که سیال گاز باشد فشار با چگالی و دما ارتباط دارد و می توان معادلات را هم زمان حل کرد (روش Coupled).
1-5-4 ) نرم افزارهای CFD
همانطور که قبلاً گفته شده، استفاده از زبان‌های برنامه‌نویسی با توجه به سلیقه‌های مختلف برنامه‌نویسان و محققان CFD منجر به ظهور نرم‌افزارهای مختلفی جهت مطالعه دینامیک سیالات یا کاربردهای مختلف گردید. برخی از این 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 )
بیشتر نرم افزارهای CFD به روش المان محدود13 ، در حالت 2D و 3D (حجم محدود) عمل می کنند.
جریان های فازی
تعداد زیادی از جریان‌های فرآیندی شامل مخلوطی از فازها هستند. فازهای فیزیکی مواد شامل گاز، مایع و جامد است. اما مفهوم فاز در سیستم جریان چند فازی به معنی گسترده‌تری به کار برده می‌شود. در جریان چند فازی، یک فاز قسمتی از جریان است که قابلیت تفکیک آن وجود دارد و نسبت به میدان پتانسیلی که در آن قرار می‌گیرد پاسخ داده و با سایر فازها برهمکنش دارد. مثلاً ذرات جامد با اندازه‌های مختلف از همان ماده را می‌توان به عنوان فازهای متفاوت در نظر گرفت چون هر مجموعه ذرات با اندازه یکسان دارای عکس العمل دینامیکی مشابه به میدان جریان خواهند بود.
) رژیم های چند فازی
رژیم‌های جریان چند فازی را می‌توان به چهار دسته کلی زیر طبقه‌بندی کرد:
جریان‌های گاز – مایع و یا مایع – مایع
جریان‌های گاز – جامد
جریان‌های مایع – جامد
جریان‌های سه فازی
جریان‌های گاز – مایع یا جریان های مایع – مایع
رژیم‌های زیر جریان‌های گاز – مایع یا مایع – مایع هستند:
جریان حبابی14 – جریان گسسته‌ی گازی یا حباب‌های سیال در یک محیط پیوسته است.
جریان قطره15 – جریان گسسته‌ی قطرات سیال16 در یک فاز پیوسته است.
جریان اسلاگ17 – جریان حباب‌های بزرگ گاز در یک سیال پیوسته است.
جریان سطح –آزاد / لایه‌ای18 – جریان سیالات غیرقابل امتزاج شده با یک فصل مشترک تعریف شده‌ی آشکار است.
جریان های گاز – جامد
رژیم های زیر جریان های گاز – جامد هستند :
جریان های پر – ذره19 – جریان ذرات جامد با نسبت وزنی بالا در یک گاز است.
انتقال نیوماتیک20 – حمل ذرات جامد توسط جریان گاز است که به فاکتورهایی از قبیل مقدار جامد، عدد رینولدز و خواص ذرات بستگی دارد. الگوهای نمونه شامل جریان شنی21، جریان اسلاگ و جریان یکنواخت22 می‌باشند.
بستر سیال 23– متشکل از یک استوانه‌ی عمودی حاوی ذرات است که در آن گاز از طریق توزیع کننده وارد می‌شود. گازی که از میان بستر بالا می‌آید ، موجب معلق نگه داشتن ذرات جامد می‌شود. تشدید اختلاط داخل بستر به شدت جریان گاز، ظاهر شدن و بالا رفتن حباب‌ها از میان بستر بستگی دارد. برای تشریح این رژیم‌ها شکل 1-2 را ببینید.
شکل 1-2 : رژیم های جریان چند فازی
جریان‌های مایع – جامد
رژیم‌های زیر جریان های مایع – جامد هستند:
جریان دوغابی24 – این جریان انتقال ذرات جامد در مایعات می باشد. رفتار جریان‌های مایع – جامد با خواص ذرات جامد نسبت به مایع فرق می‌کند. در جریان‌های دوغابی عدد استوک معمولاً کمتر از یک است. وقتی عدد استوک بزرگ‌تر از یک باشد، جریان سیال شده مایع – جامد به وجود می‌آید.
انتقال با آب25 – بیان کننده‌ی توزیع متراکم ذرات جامد در محیط مایع است.
ته نشینی26 – بیان کننده‌ی یک ستون بلند است که در ابتدا حاوی مخلوط پراکنده یکنواخت از ذرات می باشد. ذرات در پایین ستون به آرامی می‌نشینند و تشکیل یک لایه‌ی لجن می‌دهند. در بالا یک فصل مشترک شفاف ظاهر می‌شود و در وسط یک قسمت ته‌نشینی ثابت به وجود می‌آید. برای تشریح این رژیم ها شکل 1-2 را ببینید.
جریان های سه فازی
جریان‌های سه فازی ترکیبی از رژیم‌های جریان گفته شده در قسمت‌های قبلی است.
) مثال‌هایی از سیستم های چند فازی
مثال‌های خاص هر رژیم شرح داده شده در قسمت 1-1 در جدول زیر آمده است.
جدول 1-2 : مثال های جریان های سیستم های چند فازی
جریان حبابی
هوادهی، پمپ های هواگرد27، کاویتاسیون، تبخیرکننده‌ها، شناورسازی و اسکرابرها
جریان قطره‌ای
جذب کننده‌ها، اتمایزرها، محفظه‌های احتراق، خشک کن‌ها، تبخیرکننده ها، خنک کننده‌های گاز و اسکرابرها
جریان اسلاگ
حرکت حباب بزرگ در لوله‌های انتقال و مخازن
جریان سطح – آزاد / لایه‌ای
دستگاه‌های جدا کننده لجن و جوشش و میعان در راکتورهای هسته‌ای
جریان‌های پر ذره
جداکننده های سیکلون، طبقه‌بندی کننده‌ی 28، جمع کننده‌های غبار و جریان‌های گاز همراه با غبار
انتقال نیوماتیک
انتقال سیمان، دانه و پودر فلزی
بستر سیال
راکتورهای بستر سیال، بسترهای سیال چرخشی
جریان دوغابی
انتقال دوغابی و فرآیندهای معدنی
انتقال با آب
فرآیندهای معدنی و سیستم های زیست فنآوری
ته نشینی
فرآیندهای معدنی
) انتخاب یک مدل چند فازی
قدم اول در حل هر مسأله‌ی چند فازی، تعیین مدل مناسب رژیم جریان و چگونگی تعیین محل فصل مشترک برای جریان‌های حاوی حباب‌ها، قطرات و یا ذرات می‌باشد که در ادامه به معرفی دیدگاه‌های مختلف جریان‌های چند فازی پرداخته شده است.
دیدگاه‌های مدل سازی جریان های چند فازی
پیشرفت در مکانیک سیالات محاسباتی29، بنیانی برای درک بیشتر دینامیک جریان‌های چند فازی را فراهم کرده است. در حال حاضر دو دیدگاه اولر- لاگرانژ30 و دیدگاه اولر – اولر31 برای محاسبه‌ی عددی جریان های چند فازی وجود دارد.
دیدگاه اولر – اولر
در دیدگاه اولر – اولر، فازهای مختلف به صورت ریاضی به عنوان محیط‌های پیوسته‌ی در هم نفوذکننده32 در نظر گرفته می‌شوند. از آنجائیکه حجم یک فاز نمی‌تواند توسط فازهای دیگر اشغال شود. مفهوم کسر حجمی فازی وارد معادلات می‌شود. کسر حجمی فازها به صورت توابعی پیوسته از فضا و مکان تعریف می‌شوند و مجموع آنها برابر یک است. معادلات بقاء به منظور به دست آوردن مجموعه معادلات حاکم که دارای ساختار یکسان برای تمام فازها هستند، به کار برده می‌شوند. این معادلات توسط روابط کمکی33 که از فرمول های تجربی به دست آمده‌اند یا در حالت جریان‌های دانه‌ا‌ی با به کارگیری تئوری سینتیک، کامل می‌شوند. در نرم‌افزار سه مدل مختلف چند فازی اولر – اولر در دسترس می‌باشد.
مدل حجم سیال (VOF)، مدل مخلوط34 و مدل اولری
مدل VOF
مدل VOF، تکنیک ردگیری سطح مشترک فازها برای مش اولری ثابت است. این مدل برای دو یا چند سیال غیر قابل امتزاج، که مکان فصل مشترک آن‌ها مورد نظر است، طراحی شده است. در مدل VOF یک سری معادلات مومنتم به جریان چند فازی اختصاص داده می‌شود و کسر حجمی هر یک از فازها در هر سلول محاسباتی تعیین می شود. کاربرد مدل VOF برای جریان‌های لایه‌ای، جریان‌های سطح آزاد، حرکت حباب در یک مایع، حرکت آب بعد از شکسته شدن سد، پیش‌بینی حرکت جت سیال (کشش سطحی) و رد گیری پایا35 یا گذرای36 هر نوع فصل مشترک گاز – مایع می‌باشد.
مدل مخلوط
مدل مخلوط برای دو فاز یا بیشتر طراحی شده است. در این مدل همانند مدل اولری، فازها به عنوان یک محیط پیوسته‌ی در هم نفوذ کننده در نظر گرفته شده و معادلات مومنتوم برای مخلوط حل و از سرعت های نسبی جهت تشریح فازهای پراکنده استفاده می‌شود. مدل مخلوط برای جریان‌های پر ذره با بار کم، جریان های حبابی، ته‌نشینی و جداکننده‌های سیکلونی به کار برده می‌شود. مدل مخلوط را همچنین می‌توان بدون سرعت‌های نسبی برای فازهای پراکنده، جهت مدل کردن جریان چند فازی یکنواخت نیز استفاده کرد.
مدل اولری
مدل اولری پیچیده‌ترین مدل چند فازی در نرم افزار است. این مدل معادلات مومنتوم و پیوستگی را برای هر فاز حل می‌کند. ارتباط این معادلات از طریق فشار و ضرایب تبادل بین فازی صورت می‌گیرد. این ارتباط به نوع فازها بستگی دارد. به عنوان مثال برای جریان دانه‌ای (سیال – جامد) متفاوت با جریان غیردانه‌ای (سیال- سیال) می‌باشد. برای جریان‌های دانه‌ای، خواص از به کارگیری تئوری سینتیک به دست می‌آیند. تبادل مومنتوم میان فازها نیز به نوع مخلوطی که باید مدل شود بستگی دارد. ضمناً توابع تعریف شده توسط کاربر37 (UDF) در نرم افزار فلوئنت اجازه بهبود محاسبات تبادل مومنتوم بین فازها را به شما می دهند. کاربرد مدل چند فازی اولری برای ستون‌های حبابی، رایزرها، سوسپانسیون‌های ذره‌ای و بستر سیال می‌باشد.
) مقایسه‌ی مدل‌ها
به طور کلی، پس از تعیین رژیم جریان برای سیستم چند فازی می‌توان مدل مناسب را بر مبنای راهنمایی‌های زیر انتخاب کرد:
برای جریان‌های حبابی، از مدل VOF استفاده می‌شود.
برای جریان‌های سطح – آزاد/ لایه‌ای، از مدل VOF استفاده می‌شود.
برای انتقال نیوماتیک در صورتی که جریان هموژن باشد، از مدل مخلوط و برای جریان دانه‌ای از مدل اولری استفاده می‌شود.
برای بسترهای سیال با جریان دانه‌ای از مدل اولری استفاده می شود.
برای جریان‌های دوغابی و انتقال با آب، از مدل مخلوط یا اولری استفاده می‌شود.
برای ته نشینی از مدل اولری استفاده می‌شود.
برای جریان‌های چند فازی پیچیده معمولی که شامل رژیم‌های جریان چند گانه است، الگوی جریانی که بیشتر مورد نظر است را انتخاب و مدلی که برای این الگو مناسب‌تر است انتخاب می‌شود.
به طور کلی مدل VOF برای جریان های لایه ای یا سطح آزاد و مدل های مخلوط یا اولری برای جریان‌هایی که فازها مخلوط یا جدا می‌شوند و یا کسرهای حجمی فاز پراکنده از 10% بیشتر است، مناسب می‌باشد. جریان‌هایی که در آن کسرهای حجمی فاز پراکنده کمتر از 10% است را می‌توان با استفاده از مدل فاز گسسته38 مدل کرد.
راهنمای انتخاب میان مدل های مخلوط و اولری
اگر توزیع گسترده‌ای از فاز پراکنده داشته باشیم مثلاً اگر اندازه ذرات فرق کند و ذرات نتوانند از میدان جریان اولیه جدا شوند، مدل مخلوط ترجیح داده می‌شود، چون هزینه‌ی محاسباتی کمتر می‌باشد. اگر فاز پراکنده در بخشی از دامنه غلیظ باشد، باید مدل اولری انتخاب شود.
اگر قوانین دراگ مناسب برای سیستم در دسترس باشد، مدل اولری معمولا نتایج دقیق‌تری نسبت به مدل مخلوط می‌دهد، ولو این که بتوان همان قانون دراگ را برای مدل مخلوط به کار برد. اگر قوانین دراگ فصل مشترک نامعلوم هستند یا قابلیت به کارگیری آن‌ها برای سیستم به طور کامل وجود نداشته باشد، ممکن است مدل مخلوط انتخاب بهتری باشد. برای بیشتر حالات با ذرات کروی قانون Schiller-Naumann مناسب بوده و برای ذرات غیر کروی باید از UDF استفاده شود.
اگر بخواهیم یک مسأله‌ی ساده‌تر که نیاز به محاسبات کمتری دارد را حل کنیم، مدل مخلوط گزینه‌ی بهتری است، چون تعداد معادلات کمتری نسبت به مدل اولری حل می‌کند. وقتی دقت مهم‌تر از میزان محاسبات است، مدل اولری انتخاب بهتری است. لازم به یادآوری

دسته‌ها: No category

دیدگاهتان را بنویسید