آشنایی با جریان چند فازی

در ادامه مقالات آموزشی رشته مهندسی مکانیک گرایش سیالات و پس از معرفی و آشنایی با روش های مدل سازی جریان چند فازی در این مقاله آموزشی به آشنایی با جریان چند فازی می پردازیم که امیدواریم برای شما دانشجویان کارشناسی ارشد و فارغ التحصیلان رشته مهندسی مکانیک مفید واقع شود .

 آشنایی با جریان چند فازی

امروزه جریان­های دو فازی و چند فازی با اهمیتی روز افزون در گستره­ی وسیعی از سیستم­های مهندسی شامل طراحی بهینه و اجرای ایمن عملیات­ها همراه هستند. البته این به معنی محدود بودن این پدیده به فناوری صنعتی مدرن نیست و جریان های چند فازی را می­توان در سیستم­های بیولوژیکی و پدیده­های طبیعی نیز مشاهده نمود. برخی از مهم­ترین کاربردهای این نوع جریان­ها به صورت زیر دسته بندی شده اند:

سیستم­های نیروگاهی: رآکتورهای هسته ای آب تحت فشار، بویلر و اواپراتور نیروگاه­ها، ژنراتورهای MHD، موتورهای احتراق داخلی، موتورهای جت، موشک­های با پیشرانه جامد یا مایع و غیره.

سیستم­های انتقال حرارت: مبدل­های حرارتی، اواپراتورها، کندانسورها، برج­های خنک کن، خشک کننده­ها، سیستم­های سرمایش و غیره.

سیستم­های انتقالی: پمپ­ها، اجکتورها، خطوط لوله انتقال ترکیبات نفت و گاز و غیره.

سیستم­های کنترل محیط: تهویه کننده­ها، کولرها، جمع کننده­های ذرات، کنترل کننده­های آلودگی هوا و غیره.

سیستم­های بیولوژیکی: سیستم­های قلبی-عروقی، سیستم­های تنفسی، جریان خون و غیره.

طراحی سیستم­های مهندسی و توانایی محاسبه عملکرد آن­ها به داده­های آزمایشگاهی در دسترس و مدل­های ریاضی ارائه شده برای توصیف فرآیندهای فیزیکی وابسته است. استخراج معادلات حاکم برای جریان چند فازی به طور قابل ملاحظه ای دشوارتر از جریان تک فازی است. طبیعت پیچیده جریان­های دو فازی یا چند فازی ناشی از سطوح مشترک متعدد، در حال حرکت و تغییر شکل پذیر و همچنین میدان جریان پیچیده نزدیک سطوح مشترک می­باشد. لازم به ذکر است که جریان تک فاز بر اساس ساختار جریان به جریان­های آرام، گذرا و آشفته دسته بندی می­شود، در حالیکه جریان دو فازی بر مبنای ساختار سطح مشترک به چندین گروه اصلی تقسیم می­شود که هر یک از آن­ها رژیم جریان (Flow regime) یا الگوی جریان )Flow pattern( نامیده می­شود.

الگوهای جریان مختلفی که در جریان­های دو فازی مایع – گاز غیر همسو در لوله­های عمودی مشاهده می­شوند در شکل زیر نشان داده شده‌اند. این رژیم­ها عبارتند از: رژیم لخته­ای، رژیم متلاطم، رژیم حلقوی و طغیان.

رژیم لخته‌ای: با ترکیب شدن حباب­ها و تشکیل حباب­های بسیار بزرگ رژیم حبابی به پایان رسیده و رژیم لخته­ای توسعه می­یابد. ویژگی بارز رژیم لخته­ای، مشاهده تعداد زیادی حباب بزرگ گلوله ای شکل است. فاز گاز در رژیم لخته­ای به دو صورت مختلف نمایان می­شود. حباب­ های بزرگی که حباب تیلور )Taylor bubble( نامیده می­شوند و حباب­های کوچک کروی شکل که به­ صورت پراکنده در فاز مایع وجود دارند. حباب تیلور تقریبا تمامی مقطع عرضی لوله را در بر گرفته و توسط فیلم کم ضخامتی از دیواره لوله جدا شده و به­ صورت یکنواخت به سمت بالا حرکت می­کند. فاز مایع به دو صورت مشاهده می­شود؛ حالت اول به ­صورت اسلاگ مایع است که بین حباب­های تیلور متوالی قرار گرفته و کل مقطع عرضی لوله را در بر می­گیرد و حاوی مقادیری از حباب­های کوچک پراکنده است. حالت دوم به­صورت فیلم مایع که بین حباب­های تیلور و دیواره لوله قرار داشته و به­ صورت رو به پایین در جریان است.

رژیم متلاطم: در سرعت­های بالاتر فاز گاز، شکستن حباب­های تیلور منجر به تشکیل رژیمی ناپایدار می­شود. فاز گاز در این رژیم که متلاطم نامیده می­شود، دارای اشکالی نامنظم بوده و حرکت آن­ با بی نظمی فراوانی همراه است. از شاخصه­های این رژیم، می­توان به مشاهده موج­های بزرگ در مسیر حرکت گاز و جریان­های برگشتی نوسانی و پی در پی اشاره نمود.

رژیم حلقوی: رژیم حلقوی در سرعت­های ظاهری بالای گاز ایجاد شده و به شکل حرکت پیوسته و سریعِ فاز گاز به­صورت یک هسته گازی درون لوله که با فیلمی از مایع احاطه شده است، مشاهده می­شود. فاز گاز به دو حالت وجود دارد؛ فیلمی مایع که دیواره داخلی لوله را می­پوشاند و قطراتی ریز که به ­صورت پراکنده در فاز گاز قرار می­گیرد. سطح مشترک بین دو فاز در جریان حلقوی توسط موج­هایی با فرکانس بالا آشفته شده و به­صورت موج دار نمایان می­شود.

رژیم طغیان: در رژیم حلقوی، با افزایش سرعت ظاهری فاز گاز، پدیده‌ای به نام طغیان ایجاد می­شود. تحت این شرایط، هوا مانع جریان یافتن آب به سمت پایین لوله می­شود. در واقع می­توان طغیان را ناحیه گذار از جریان غیر همسو به جریان همسو رو به بالا در نظر گرفت.

برای مدل سازی جریان های چند فازی از نرم افزار Fluent که از مهم ترین و پرکاربردترین نرم افزار های رشته مهندسی مکانیک در مقطع کارشناسی ارشد می باشد استفاده می شود که برای آشنایی با نرم افزار Fluent و آموزش نصب نرم افزار Fluent می توانید با کلیک بر روی عنوان های زیر به مقاله های مورد نظر هدایت شوید :

- آشنایی با نرم افزار Fluent

- آموزش نصب نرم افزار Fluent

- آشنایی با جریان آشفتگی

- آشنایی با تجهیزات بازیابی حرارت