4.2.5. نیروی پراکندگی آشفته65
4.3. مدلسازی آشفته برای مدل دو سیالی66
4.4. مدل دو سیالی و جمله بسته69
فصل 5 بررسی عددی تاثیر نیروهای بین سطحی روی جریان حبابی71
5.1. مقدمه71
5.2. مدل ریاضی74
5.2.1. انتقال مومنتوم بین سطحی به دلیل کشش74
5.2.2. مدل عدد چگالی متوسط حباب(ABND)77
5.2.3. هسته های شکست و پیوستگی77
5.3. جزئیات عددی و تجربی79
5.4. نتایج و بحث81
5.4.1. توزیع کسر خالی81
5.4.2. قطر متوسط حباب83
5.4.3. سرعت گاز متوسط زمانی86
5.5. نتیجه گیری88
فصل 6 مدلسازی جریان حبابی گاز – مایع افقی با استفاده از روش موازنه جمعیتی91
6.1.مقدمه91
6.2.جزئیات عددی93
6.3.نتایج و بحث96
6.3.1.کسر خالی متوسط زمانی گاز96
6.3.2.غلظت ناحیه بین سطحی متوسط زمانی(IAC)98
6.3.3.سرعت متوسط زمانی گاز99
6.4.نتیجه گیری99
فصل 7 مدلسازی جریان حبابی عمودی گاز – مایع با استفاده از روش ربع مستقیم گشتاورها(DQMOM))102
7.1. مقدمه و فرمولاسیون ریاضی102
7.2. مدلهای ریاضی105
7.2.1. مدلهای DQMOM105
7.2.2. جملات چشمه ای مدلهای DQMOM107
7.3. توصیف تنظیمات آزمایش108
7.3.1. توصیف تنظیمات آزمایش های MTLOOP و TOPFLOW109
7.3.2. رشد اندازه مختلف حباب ایجاد شده با روشهای تزریق مختلف110
7.4. جزئیات عددی111
7.5. بحث112
7.5.1. توزیع کسر خالی حباب113
7.5.2. توزیع اندازه حباب116
7.6. نتیجه گیری118
فصل 8 نتیجه گیری120
8.1. بررسی عددی تاثیر نیروی بین سطحی روی جریان حبابی120
8.2. مدلسازی جریان افقی گاز – مایع با استفاده از ABND براساس روش موازنه جمعیتی121
8.3. مدلسازی جریان حبابی گاز – مایع عمودی با استفاده از روش ربع مستقیم گشتاورها(DQMOM))122
8.4. توصیه های توسعه CFD و تحقیقات آینده در جریان دو فازی122

فهرست شکلها
شکل 1-1. فرم گسسته شده معادلات پایستگی13
شکل 2-1. رژیم های جریان چندفازی.18
شکل 1-3. الگوهای جریان جریان دو فازی هوا-آب در لوله عمودی33
شکل 2-3. نقشه رژیم جریان برای جریان دو فازی هوا-آب در لوله عمودی ارائه شده توسط میشما و ایشی(1984)41
شکل 3-3. الگوهای جریان دوفازی ها-آب در لوله افقی36

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

شکل 4-3. نقشه رژیم جریانی دو فازی هوا-آب در لوله افقی ارائه شده توسط تایتل و دوکلر(1976).38
شکل 5-3. مشخصات جریان حبابی در جریان حبابی همدما40
شکل 6-3. نمونه ای از مختصات داخلی و خارجی موازنه جمعیتی برای جریانهای گاز – مایع43
شکل 7-3. بیان گرافیکی روشهای کلاس (CM)45
شکل 8-3. بیان گرافیکی روش ربعی گشتاورها(QMOM).46
شکل 9-3. بیان شماتیک مکانیزم های پیوستگی و شکستگی حباب ها48
شکل 1-5. خط جریانی سرعت مایع اطراف حباب منفرد و تعداد حباب ها72
شکل 2-5. جزئیات هندسی آزمایش هیبیکی و همکاران(2001)78
شکل 3-5. نقشه رژیم جریانی و انتقال شرایط جریانی مطالعه شده در کار حاضر(چنگ و همکاران 2007).79
شکل 4-5. توزیع مش مدل محاسباتی:آزمایش هیبیکی و همکاران(2001)81
شکل 5-5. توزیع کسر خالی پیش بینی شعاعی و داده های تجربی هیبیکی و همکاران(2001)82
شکل 6-5. توزیع قطر متوسط حباب پیش بینی شده و داده های تجربی هیبیکی و همکاران(2001)85
شکل 7-5. پروفایل سرعت شعاعی گاز پیش بینی شده و داده های تجربی هیبیکی و همکاران(2001)87
شکل 8-5. درصد خطای سرعت گاز متوسط زمانی در مقایسه با داده های تجربی هیبیکی و همکاران(2001).89
شکل 1-6. حرکت های حباب شماتیک ساده در جریان لوله افقی : ترکیب نیروهای محوری و شعاعی ، حباب ها نه عمودی حرکت می کنند و نه افقی92
شکل 2-6(a) جزئیات هندسی آزمایش کوکاموستافوگالاری و هونگ(1994) و (b) توزیع مش مدل محاسباتی سطح مقطع94
شکل 3-6. توزیع کسرخالی گاز متوسط زمانی پیش بینی شده و داده های آزمایشگاهی کوکاموستافوگالاری و هونگ(1994) در محل L/D=25395
شکل 4-6. توزیع غلظت بین سطحی متوسط زمانی پیش بینی شده و داده های تجربی کوکاموستافوگالاری و هونگ(1994) در محل L/D=253.97
شکل 5-6. توزیع سرعت گاز پیش بینی شده و داده های تجربی کوکاموستافوگالاری و هونگ(1994) در محل L/D=253.98
شکل 1-7. بیان شماتیک آزمایش MTLOOP108
شکل 2-7. بیان شماتیک آزمایش TOPFLOW110
شکل 3-7. توزیع کسر خالی شعاعی پیش بینی شده و داده های آزمایشگاهی MTLOOP که توسط لوکاس و همکاران(2005) اندازه گیری شده است.113
شکل 4-7. توزیع کسر خالی شعاعی پیش بینی شده و داده های تجربی TOPFLOW که توسط پراسر و همکاران(2007) اندازه گیری شده است.114
شکل 5-7. توزیع اندازه حباب پیش بینی شده و داده های تجربی MTLOOP که توسط لوکاس و همکاران(2005) اندازه گیری شده است.115
شکل 6-7. توزیع اندازه حباب پیش بینی شده و داده های تجربی TOPFLOW که توسط پراسر و همکاران(2007) اندازه گیری شده است.117
فهرست جداول
جدول 1-1.مقایسه های روش های حل معادلات مکانیک سیالات6
جدول 2-1.مثال های جریان های سیستم های چندفازی19

جدول 1-4. سناریوهای جریان و جزئیات شرایط مرزی ورودی در شبیه سازی آزمایش هیبیکی و همکاران(2001)80
جدول 1-5. سناریوهای جریان و جزئیات شرایط مرزی ورودی در شبیه سازی آزمایش کوکاموستافوگالاری و هونگ(1994)93
جدول 1-6. اطلاعات شرایط جریان ورودی اعمال شده در شبیه سازی آزمایش MTLOOP و TOPFLOW112
فهرست نمودارها
نمودار 1-1.مراحل کاری یک برنامه CFD دریک نگاه9
نمودار 2-1.روش Segregated14
نمودار 3-1. روش Coupled15
فهرست علایم و اختصارات
A مساحت سطح مقطعC_D ضرایب دراگC_Lضریب بلند کردنC_TDضریب پراکندگی آشفتگیC_RCضریب برخورد تصادفیC_TIضرایب تاثیر آشفتگیd_Hبیشینه اندازه افقی حباب هاD_sقطر متوسط حبابD_B, D_Cنرخ اتلاف جرم به دلیل شکست و پیوستنE_O عدد ایتوسE_dg عدد اصلاح شده ایتوسF توزیع اندازه حبابF_i نیروی کلی بین سطحیF_(1→g)^drag نیروی دراگF_(l→g)^lift نیروی بلند کردنF_(l→g)^lubrication نیروی لیزاندن دیوارهF_(l→g)^dispersion نیروی پراکندگی آشفتگیg شتاب گرانشیh ضخامت فیلمm گشتاورn عدد چگالی متوسط فاز گازP_B,P_C نرخ تولید جرم به دلیل شکستگی و پیوستن
نمادهای یونانی
αکسر حجمیα_max بیشینه مجاز کسر حجمیε اتلاف انرژی جنبشی آشفتگیρ چگالیσ تنش سطحیΦnRC نرخ تغییر عدد چگالی حباب به دلیل برخورد تصادفیΦnTI نرخ تغییر عدد چگالی به دلیل تاثیر گردابه های آشفتگیζ طولω وزنψ فرکانس پیوستنΩ فرکانس شکستη فرکانس برخوردι بازده پیوستنζ پارامتر اساسی در PBEν ویسکوزیته
زیرنویس ها
gفاز گازglانتقال کمیت ها از فاز مایع به فاز گازiکلاس اندازه حبابj گروه سرعتl مایعlg انتقال کمیت ها از فاز گاز به فاز مایعg فاز گازgl انتقال کمیت ها از فاز مایع به فاز گازi کلاس اندازه حبابj گروه سرعتl مایع
چکیده:
کلمات کلیدی : دینامیک سیالات محاسباتی ، حباب ، پیوستگی و شکست ، راکتورهای بستر شناور ، سیستم های چند فازی ،جریان های عمودی وافقی ، PBM ،DQMOM ،
اخیراً راکتورهای بستر شناور گاز ـ مایع به خاطر کاربرد گسترده آنها در فرآیندهای شیمیایی، پتروشیمی و فرآیندهای زیست محیطی ، مورد توجه قرار گرفته اند .از طرفی با پیشرفت های صورت گرفته، در روش‌های محاسبــاتی و علم کامپیوتر، دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به یک روش جدید دارای پتانسیل بسیار زیادی برای درک اثر دینامیک سیالات در عملکرد راکتورهای شیمیایی تبدیل شده است . در این نوع راکتورها نقش حباب ها در فرآیندهای چند فازی ناشی از شکست و برخورد حباب ها ، اهمیت این مطالعه را توجیه می کند .
در میان مدلهای مختلف عددی برای جریان دو فازی، مدل دو سیالی که دو فاز را با استفاده از دو مجموعه از معادلات انتقالی ردیابی می کند، از مناسب ترین مدلها هستند. در مطالعه حاضر، توانایی مدل دو فازی و اصطلاحات بسته برای شبیه سازی شرایط جریان حبابی عمودی و افقی بررسی شده است. همچنین از یک مدل تعادلی برای ردیابی مکانیزم های برخوردی بین حباب ها / حباب ها و حباب ها/گردابه ها اتخاذ شده است.
همچنین در این مطالعه، عملکرد رابطه تجربی ضریب کشش ارائه شده توسط سیمونت و همکاران (2007) بررسی شده است. این مدل با مدل ذرات سیال توزیع شده ارائه شده توسط ایشی- زوبر که به طور گسترده در بسته های نرم افزار تجاری استفاده شده است، مقایسه شده است. همچنین از سه متغیر شامل کسر خالی گاز، قطر متوسط حباب و سرعت گاز برای ارزیابی مدل با داده های تجربی هیبیکی و همکاران (2001) انتخاب شده است.
مدل تعادلی جمعیتی (PBM) نقش مهمی در ارائه اطلاعات با توجه به توزیع اندازه حباب ها ایفا می کند. قبلا، روش کلاس ارائه شده توسط مدل (MUSIG) به عنوان یکی از روشهای مطلوب برای بررسی معادله تعادل جمعیتی (PBM) با گسسته کردن محدوده اندازه های پیوسته به دنباله های از کلاسهای اندازه گسسته در نظر گرفته می شود. در مقایسه با مدل MUSIG، مزیت عمده روش(DQMOM) این است که تعداد گشتاورهایی که باید حل شود، در کل کم است. در این پایان نامه، مدل DQMOM توسعه داده شده و در نرم افزار ANSYS FLUENT برای تطابق پیوستن و شکستگی حباب های گاز اجرا شده است. در آخرنتایج شبیه سازی با داده های تجربی MTLOOP و TOPFLOW تایید شده است.

مدل سازی توزیع حباب ها در سیستم بستر شناور گاز- مایع به روش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)
فصل اول
کلیـات
فصل اول : کلیات
مقدمه
هر چند که در اوایل توسعه علم، ریاضی‌دانان به جای پیشگویی به دنبال یافتن روابط حاکم بر عملکرد سیستم‌های موجود بودند اما امروزه با پیشرفت‌های انجام شده، نسبت به دانشمندان علوم تجربی پیش‌قدم هستند. دانشمندان علوم تجربی گرچه با حل ریاضی پدیده‌ها آشنا هستند ولی برای آزمایش‌های خود با مشکلات زیادی مواجه می باشند. مهم‌ترین مسأله مربوط به دینامیک سیالات از نظر ریاضی مدت هاست حل نشده و آن‌هایی که حل شده‌اند نیز با مشکلات زمان زیاد برای انجام عملیات ریاضی مواجه هستند. با توسعه رایانه ها روز به روز این مشکل آسان و آسان تر می شود. و اینک پیچیده‌ترین این مسائل که بحث‌های مهم انتقال حرارت و سیالات می باشند از طریق رایانه قابل حل است. امروز علم دینامیک سیالات محاسباتی به صورت یک ابزار پرقدرت و توانا برای تحلیل رفتار جریان سیال و انتقال حرارت در سیستم‌های با هندسه پیچیده و معادلات حاکم پیچیده برای محققین و مهندسین درآمده است. پیچیدگی معادلات حاکم بر مسأله، تأثیر متقابل پدیده‌های فیزیکی مختلف، گذرا بودن اغلب مسائل مهندسی، بالا بودن هزینه های مربوط به تجهیزات آزمایشگاهی و محدودیت استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیری در بسیاری از مسائل علمی‌، از جمله دلایلی می باشد که استفاده از روش‌های تحلیلی و آزمایشگاهی را در مقایسه با روش‌های عددی محدود می‌کند. اگرچه مدل‌سازی راکتور تعیین پارامترهای هیدرودینامیکی آن امری ضروری به نظر می‌رسد. هیدرودینامیک این راکتورها به شدت متأثر از مقیاس عملکرد آن‌ها می باشد. (به دلیل کاربردهای وسیع این راکتورها در صنعت، تلاشهای زیادی جهت ارائه یک روش قابل اطمینان برای افزایش مقیاس صورت گرفته است.) در گذشته محققین جهت دستیابی به هیدرودینامیک این راکتورها به تجارب آزمایشگاهی می‌پرداختند. نتایج حاصل از این آزمایش‌ها لزوماً در مقیاس‌های بزرگ صحت نداشتند و لذا به عنوان قوانین افزایش مقیاس قابل کاربرد نبودند. به طور مثال تأثیرات دیواره‌ای یک راکتور کوچک بر حرکت، تشکیل و شکستن حباب‌ها مشخص است. همچنین واضح است که این تأثیر در راکتورهای بزرگ‌تر متفاوت می باشد. لکن میزان و چگونگی این تفاوت‌ها معلوم نیست و لذا بهترین راه دست‌یابی به هیدرودینامیک قطرهای بزرگ انجام آزمایش در راکتورهایی با همان قطر است که البته بسیار هزینه ‌بر می‌باشد که به کمک CFD1 می‌توان راکتور را در اندازه واقعی شبیه‌سازی کرد و با توجه به نتایج حاصل به configuration و شرایط مناسب راکتور پیش بینی کرد .
تحلیل رفتار سیالات
برای تحلیل رفتار سیالات می‌توان مطالعات آزمایشگاهی و تجربی را به کار برد. از سال‌ها و قرن‌های گذاشته دانشمندان زیادی از جمله اولر2، لیبینیز3، نیوتن4، رینولدز5، پرانتل6، استوکس7، ناویر8 و … تلاش‌های فراوانی جهت مطالعه، بررسی و شناخت رفتار جریان‌های سیالات و در طول دوران‌های مختلف انجام دادند.
این تلاشها منجر به پیدایش مکانیک سیالات9 گردید. به عبارت دیگر مکانیک سیالات شالوده نتایج و یافته های مطالعه شده می‌باشد که به صورت آزمایشگاهی و در اثر سعی و تکرارهای گسترده به دست آمده است.
با استفاده از نتایج حاصل شده از آزمایشهای مختلف و استفاده گسترده معادلات دیفرانسیل و روابط ریاضی معادلات حاکم تئوری ـ کاربردی و امروزی به دست آمدند. بسیاری از دانشمندان به جمع‌آوری و تعمیم معادلات مکانیک سیالات پرداختند. پس به طور کلی برای تحلیل رفتار سیالات دو روش موجود می‌باشد:
روش آزمایشگاهی و تجربی
روش تئوری ( استفاده از معادلات حاکمه )
همانطور که اشاره گردید روش‌های تئوری از مطالعات آزمایشگاهی و واقعی پدیده‌های علمی به دست می‌آیند. با استفاده از روش‌های ریاضی می توان به حل معادلات تئوری دست یافت. جواب‌های تحلیلی معادلات ریاضی، جواب‌های بسیار دقیقی هستند به شرط آنکه معادله مورد نظر با توجه به هندسه مسئله توسط روش تحلیلی قابل حل باشد. شرایط مسئله مانند دو بعدی و یا سه بعدی بودن هندسه، شرایط مرزی، دو فازی بودن مسئله، بزرگی ابعاد هندسی مسئله و … باعث استفاده از روش‌های عددی جهت حل معادلات گردید.
روش‌های عددی به صورت المان محدود ، با تقریب مناسب به حل مسأله پرداخته و جواب‌های ایده‌آل و قابل قبولی را به ما می‌دهند.
پیش زمینه پیدایش CFD
توسعه و پیشرفت علوم کامپیوتر و استفاده گسترده از زبان‌های برنامه‌نویسی منشأ پیدایش دینامیک سیالات محاسباتی، جهت حل عددی معادلات مکانیک سیالات در قرن حاضر گردید. به بیان روش عددی CFD، یک روش جدید، سریع و کاربردی در دنیای امروز است که به حل معادلات مکانیک سیالات می پردازد.
اگر روشCFD را به عنوان سومین روش تحلیل جریان سیالات قلمداد نماییم، می‌توانیم به یک مقایسه خلاصه و مختصر بین روش‌های مطرح شده بپردازیم.
مقایسه روش های حل معادلات مکانیک سیالات

جدول شماره 1-1 : مقایسه روش‌های حل معادلات مکانیک سیالات
نام روشمحاسنمعایبروش آزمایشگاهی و تجربیبیان نتایج واقعی و کاملاً معتبر – دقت بسیار بالامحدودیت محیط آزمایشگاه
محدودیت ابزار سنجش
بالا بودن هزینه ساخت مدل واقعی
بالابودن هزینه ها به علت صرف زمان بالای آزمایش
خطر آزمایش برخی از سیالات شیمیاییروش تئوریاستفاده از معادله تعریف شده ریاضیمحدودیت معادل بندی
در هندسه‌های پیچیده کاربرد ندارد
خطای پایین نسبت به نتایج واقعیروش CFDکاهش زمان دستیابی به نتایج
کاهش هزینه ساخت
کاهش هزینه تحقیق
استفاده از روند حل نتایج
حل مسائل پیچیده هندسی
حل مسائل وابسته به زمان در حالت‌های مختلف
تحلیل شرایط مرزی مختلفداشتن خطا خصوصاً خطای برشی
نیاز به کامپیوترهای نسبتا قوی با حافظه بالا در تعریف مسئله می‌باشد زیرا کوچکترین اشتباهی در تعریف مسئله موجب افزایش خطا و عدم همگرایی در جواب ها می شود
دینامیک سیالات محاسباتی
دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD عبارت از تحلیل سیستم‌های شامل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده‌های همراه نظیر واکنش های شیمیایی، بر اساس شبیه‌سازی کامپیوتری است. CFD روش بسیار توانایی می‌باشد به‌طوری که طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی و غیر صنعتی را در بر می‌گیرد برخی مثال‌ها عبارتند از:
نیروگاه : احتراق دستگاه I.C و توربین‌های گاز
توربو ماشین : جریان های داخل گذرگاه های دوار، پخش کننده و غیره
مهندسی دریا : بارهای روی ساختمان های ساحل
مهندسی فرآیند شیمیایی : اختلاط، جداسازی، راکتور، شکل‌گیری پلیمر
صنایع هوایی : تست های تونل باد برای تعین عملکرد ترکیب های مختلف
صنایع ساختمانی :طراحی سیستم گرمایش و تهویه ساختمان ها
CFD به یک جزء اساسی در طراحی تولیدات صنعتی و فرآیندها در آمده است .هدف نهایی توسعه و پیشرفت در زمینه CFD رسیدن به توانایی قابل مقایسه با ابزارهای CAE (مهندسی به کمک کامپیوتر) نظیر برنامه های تحلیل تنش می‌باشد. دلیل اصلی این که چرا CFD به کندی پیشرفت کرده است در حقیقت پیچیدگی زیاد رفتار اساسی آن و عدم بحث جریان سیال در رابطه با مسائل اقتصادی و مقرون به صرفه بودن آن است. توضیح جریان که هم زمان اقتصادی و کامل باشد و نیز وجود سخت افزارهای با عملکرد بسیار خوب محاسباتی و واسطه های با استفاده ساده منتقل به رشد جالبی شده و CFD موفق شد که در ده 1990 در حد گسترده تری وارد حوزه ارتباطات صنعتی شود.
قیمت تقریبی مجوز دائمی نرم افزارهای تجاری بین 50000-10000 دلار بسته به تعداد بسته های اضافی مورد نیاز، متغیر است روشن است که قیمت سرمایه گذاری روی توانایی های CFD کم نیست ولی هزینه کل به اندازه یک کار تجربی با کیفیت بالا نمی‌باشد. بعلاوه CFD در طراحی سیستم‌های سیالاتی چند مزیت منحصر به فرد نسبت به روش‌های تجربی دارا می‌باشد.
کاهش اساسی در زمان و قسمت‌های طراحی جدید
توانایی مطالعه سیستم‌هایی که انجام آزمایشات کنترل شده روی آن‌ها مشکل و یا غیر‌ممکن می‌باشد (نظیر سیستم‌های بزرگ)
توانایی مطالعه سیستم‌ها، تحت شرایط تصادفی و بالاتر از حد معمول آن‌ها ( نظیر مطالعات مطمئن و موضوعات تصادفی)
به دست آوردن نتایج با جزئیات زیاد
قیمت متغیر یک آزمایش از لحاظ کرایه وسائل و یا قیمت ساعت کار افراد با تعداد نقاط داده‌ها و تعداد دفعات آزمایش متناسب است. در مقابل برنامه‌های CFD می‌توانند نتایج زیادی تولید کنند در حالی که واقعاً مخارج چندانی افزوده نمی شود و برای پیش‌بینی پارامترهای موضوعی بسیار ارزان می باشد. برای مثال می توان به بهینه سازی تجهیزات فرآیندهای شیمیایی اشاره کرد.
مراحل کاریCFD به طور کلی
اگر بخواهیم مراحل کاری حل یک مسئله به صورت عددی CFD را بیان کنیم می توانیم مراحل زیر را به اختصار نام ببریم:
مدل سازی هندسی مسئله
تولید شبکه مناسب برای حل
انتخاب معادلات مناسب جهت حل
تعریف شرایط مرزی
گسسته سازی معادلات حل
اجرای برنامه کامپیوتری
نتایج آماری و نموداری
مراحل کاری یک برنامه CFD در یک نگاه
نمودار 1-1 : مراحل کاری یک برنامه CFD در یک نگاه
یک برنامه CFD چگونه کار می‌کند؟
ساختار برنامه CFD روش حل عددی است، به طوری که مسائل جریان سیال با استفاده از این روش قابل حل می باشند. به منظور فراهم آمدن دسترسی آسان به حل توأم آن‌ها تمام بسته‌های نرم‌افزار تجاریCFD شامل واسطه‌های کاربری پیچیده‌ای جهت ورود پارامترهای مسائل نتایج می‌باشند، از این‌رو تمام برنامه‌ها شامل سه جزء اصلی می باشند:
پیش پردازنده
حل کننده
پس پردازنده
پیش پردازنده
عبارت است از ورودی مساله جریان به بک برنامه CFD با استفاده از یک واسطه عملکرد ساده و سپس تبدیل این ورودی به یک شکل مناسب برای استفاده توسط حل کننده، وظایف یک کاربر در مرحله پیش پردازنده عبارت است از:
تعریف هندسه ناحیه مورد نظر میدان محاسباتی
تولید شبکه یا تقسیم بخش‌های کوچک به نواحی کوچک‌تر
انتخاب مجموعه پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی که باید مدل شوند
تعریف خواص سیال
تشخیص و تعریف شرایط مرزی لازم در سلول‌هایی که منطبق و یا در تماس با مرز محدوده می‌باشند.
اعمال پارامترهای کنترل حل عددی
حل یک مساله جریان (سرعت، فشار، دما و غیره) در گره‌های داخلی هر سلول قرار می‌گیرد. دقت مربوط به یک حل CFD از تعداد سلول‌های موجود در شبکه پیروی می‌کند. هر چه تعداد سلول‌ها بیشتر باشد حل مساله دقیق‌تر انجام می‌شود. شبکه‌های مطلوب اغلب غیر یک نواخت می‌باشد. در جایی که تغییرات از نقطه‌ای به نقطه دیگر زیاد است، ریزتر و در نواحی با تغییرات نسبتاً کم درشت‌تر است.
بیش از50% زمان استفاده شده در صنعت روی پروژه CFD صرف تعیین هندسه محدوده و تولید شبکه می‌شود. در حال حاضر برای به حداکثر رساندن بهره‌مندی کاربران CFD، اغلب برنامه‌های مهم شامل فصل مشترک با نرم‌افزار CAD بوده و یا از امکاناتی برای ورود اطلاعات از سطح سازه‌های تخصصی و تولید کننده های شبکه از جمله ANSYS برخوردار می‌باشند.
پس پردازنده
مانند پیش پردازنده اخیراً مقدار زیادی از کار در محیط پس‌پردازنده صورت می‌گیرد. به دلیل افزایش تنوع نیازهای مهندسی، بسیاری از آن‌ها دارای توانایی های ترسیمی بالایی هستند.
نمایش میدان هندسی و شبکه
ترسیمات بردار
ترسیمات خط و سایه10
ترسیمات سطح دو بعدی و سه بعدی
مسیر حرکت ذره
نمایش نتایج به صورت رنگی
حل کننده
در این جا سه روش مجزا برای روش‌های عددی وجود دارد که عبارتند از:
اختلاف محدود ، عناصر محدود و حجم محدود
اختلاف محدود
در این روش مجهولات Ø مسأله جریان را با استفاده از همسایه‌های هر نقطه در نقاط گره مربوط به صورت شبکه خطوط مختصات تعیین می‌کنند. اغلب از بسط‌های تیلور منقطع برای به دست آوردن تقریب‌های اختلاف محدود مشتقات Ø در عبارات همسایه‌های نقطه Ø در هر شبکه و در همسایه‌های آن استفاده می‌شود، بنابراین مشتقات ظاهر شده در معادلات حاکم توسط اختلاف محدود جایگذاری شده و یک معادله جبری برای مقادیر Ø در هر نقطه از شبکه را می‌دهند.
عناصر محدود
در روش عناصر محدود از توابع تکه‌ای ساده (خطی یا درجه دوم) که برای عناصر ارزش داشته باشند به منظور شرح تغییرات محلی متغیرهای مجهول جریانØ استفاده می‌شود. معادلات حاکم با استفاده از حل دقیق Ø کاملاً ارضا می‌شوند. اگر توابع تقریب تکه‌ای برای Ø در معادله جایگذاری شوند معادله دقیقاً ارضا نخواهد شد و یک باقی‌مانده برای اندازه‌گیری خطاها تعریف می‌شود. سپس باقی‌مانده‌ها در برخی جهات توسط ضرب آن‌ها در یک مجموعه‌ای از توابع وزنی و انتگرال‌گیری به حداقل می‌رسند، در نتیجه ما یک مجموعه‌ای از معادلات جبری برای ضرائب مجهول توابع تقریب به دست می‌آوریم.
حجم محدود
این روش در ابتدا به عنوان یک فرمول‌بندی اختلاف محدود ویژه توسعه یافت. انتگرال‌گیری از حجم کنترل، روش حجم محدود را از سایر روش‌های CFD متمایز می‌نماید. نتیجه اظهارات دقیق، بقاء خواص مربوطه را برای هر سلول به اندازه محدود بیان می‌کند. این رابطه روشن بین الگوریتم عددی و قاعده کلی بقاء اصلی فیزیکی، یکی از جاذبه‌های اصلی روش حجم محدود را تشکیل می‌دهد.
نرم‌افزار FLUENT ANSYS اساس روش حل آن حجم محدود11 می باشد و چون در این تحقیق از نرم افزارFLUENT ANSYS استفاده شده است لذا به تفسیر روش حجم محدود می پردازیم.
تشریح عملکرد حل کننده12
اساس حل مسائل در نرم‌افزار FLUENT ANSYS روش حجم محدود می‌باشد و فرم گسسته شده معادلات پایستگی در نهایت بصورت زیر در می‌آید.
اندیس nb نمایان‌گر سلول های همسایه P می‌باشد.
a_P ∅_P=∑_nb▒〖a_nb ∅_nb 〗+b
شکل 1-1 : فرم گسسته شده معادلات پایستگی
در حالت دو بعدی هر سلول دارای 4 سلول همسایه (E,N,W,S) می‌باشد ‌و در حالت سه بعدی 6 سلول. در هندسه با مش نامنظم تعداد سلول های نامنظم به شکل سلول و Topology مش بستگی دارد. معادله بالا برای تمام متغیر‌ها (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 )

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب(به صورت کاملا تصادفی و به صورت نمونه) با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود-این مطالب صرفا برای دمو می باشد

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

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 حبابیهوادهی، پمپ های هواگرد27، کاویتاسیون، تبخیرکننده‌ها، شناورسازی و اسکرابرهاجریان قطره‌ایجذب کننده‌ها، اتمایزرها، محفظه‌های احتراق، خشک کن‌ها، تبخیرکننده ها، خنک کننده‌های گاز و اسکرابرهاجریان اسلاگحرکت حباب بزرگ در لوله‌های انتقال و مخازنجریان سطح – آزاد / لایه‌ایدستگاه‌های جدا کننده لجن و جوشش و میعان در راکتورهای هسته‌ایجریان‌های پر ذرهجداکننده های سیکلون، طبقه‌بندی کننده‌ی 28، جمع کننده‌های غبار و جریان‌های گاز همراه با غبارانتقال نیوماتیکانتقال سیمان، دانه و پودر فلزیبستر سیالراکتورهای بستر سیال، بسترهای سیال چرخشیجریان دوغابیانتقال دوغابی و فرآیندهای معدنیانتقال با آبفرآیندهای معدنی و سیستم های زیست فنآوریته نشینیفرآیندهای 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 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.

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید