روش های مدل سازی جریان چند فازی

پس از آشنایی با جریان آشفتگی و مدل های مختلف جریان آشفتگی و آشنایی با تجهیزات بازیابی حرارت در این مقاله آموزشی به روش های مدل سازی جریان چند فازی می پردازیم که امیدواریم برای شما عزیران در ارایه پایان نامه های کارشناسی ارشدو ارایه پروژه های علمی و پژوهشی مفید واقع شود.

در ادامه به روش های مدل سازی جریان چند فازی می پردازیم:

یک تعریف واضح از فاز، حالت ترمودینامیکی است. مثلاً زمانی­که توزیع اندازه وسیعی از ذرات برای مدلسازی جریان گاز-جامد پراکنده موجود است، این امکان وجود دارد که برخی فازهای جامد را به نمایندگی مجموعه‌ای از ذرات در نظر گرفت. هریک از این فازها می­تواند به قسم کوچکی از گستره اندازه ذرات که خواص تقریباً یکسانی از قبیل ضریب درگ مناسب دارند، مربوط باشد. همچنین تک­فاز تلقی کردن دو محدوده فاز ترمودینامیکی برای اهداف محاسباتی می‌تواند مفید باشد.

برای مثال در یک راکتور دوغابی (گاز-مایع-جامد) )slurry reactor(، اگر ذرات جامد به اندازه کافی ریز باشند به نحوی که از رفتار فاز مایع به­ خوبی پیروی کنند، این­که ترکیب گاز و جامد را به عنوان فاز دوغابی به حساب آورد و یک سیستم سه فاز را به یک سیستم دو فاز گاز-دوغاب تبدیل کرد، مفید است. فازهای محاسباتی می­توانند براساس مشخصه­ های محلی جریان از قبیل سیال آشفته یا غیر چرخشی، تعیین شوند. قضاوت درباره فازهای محاسباتی و درنظر گرفتن رژیم­های جریانی ممکن، اغلب از مراحل سخت اولیه در انتخاب مدل هدف می­باشد.

یک­بار که فازها مشخص گردند، رژیم­های جریان مربوطه می­توانند تعیین شوند. بسته به دقت مورد نظر و نوع جریان پراکنده، مسیرهای مدلسازی متفاوتی می­تواند مورد استفاده قرار گیرد. سه مسیر اصلی برای مدلسازی جریان چندفاز پراکنده موجود است:

1. حجم سیال (محاسبات را در چهارچوب اولری انجام می­دهد و برای هر دو فاز، نیروهای سطح مشترک را با فرمول­بندی نوینی براساس حجم تدوین می­کند).
2. اولری-لاگرانژی (چهارچوب اولری برای محاسبات فاز پیوسته و چهارچوب لاگرانژی برای تمام فازهای پراکنده استفاده می­گردد).
3. اولری-اولری (چهارچوب اولری برای محاسبات تمام فازها بدون بررسی صریح سطح مشترک بین فازها انجام می­شود).

مسیر اول یا حجم سیال (VOF) از نظر مفهومی ساده ­ترین روش محسوب می­شود. در این روش حرکت تمام فازها با فرمول­بندی محلی و هم­زمان معادله بقا برای جرم، انرژی و مومنتوم انجام می­شود. این معادلات با شرایط مرزی مناسب در سطوح مشترک، قابل حل هستند. اما سطح مشترک بین فازهای مختلف ثابت نمی­ماند و حرکت سطوح مشترک مرزی، شرایط پیچیده­ای را ایجاد می‌کند. برای دوری از این شرایط به جای دنبال کردن مستقیم تغییر شکل و حرکت مرزها، روش حجم سیال حرکت تمام فازها را به صورت غیر مستقیم دنبال می­کند.

تمام نیروهای بین سطحی با نیروهای حجمی یکنواخت متغیر جایگزین می­شوند. اگر شکل و فرآیند جریان بین سطوح مشترک دو فاز مورد نظر باشد، این روش باید استفاده شود. خیلی از نیروهای موجود در سطح مشترک فازها، از جمله نیروهای سطحی و نیروهای چسبندگی، با دقت بالایی می­توانند با این روش مدل شوند. این روش طبیعتاً به برای شبیه­ سازی جریان چندفاز پراکنده در تجهیزات بزرگ، مناسب نیست. چراکه منابع محاسباتی بزرگی را برای حل جریان پیرامون هرکدام از ذرات فاز پراکنده می­طلبد. مدل­های بر پایه حجم سیال می­توانند ابزاری مفید و آموزشی به حساب آیند و می­توانند اطلاعات با ارزشی جهت توسعه مدل­های اولری-اولری و اولری-لاگرانژی ارائه دهند.

در روش اولری-لاگرانژی حرکت صریح سطوح مشترک، مدل نمی­شود. این بدین معناست که حرکت­های کوچک مقیاس سیال در اطراف ذرات فاز پراکنده در نظر گرفته نشده است. تاثیر آن در حالی­که حرکت ذرات فاز پراکنده به حساب آورده شده است به شکل غیر مستقیم مدل می­شود. در این روش حرکت فاز پیوسته در چهارچوب اولری مدل می­شود. حرکت ذرات فاز پراکنده (خط مسیر) به­ طور صریح در یک چهارچوب لاگرانژی شبیه­سازی می­گردد. میانگینی از تعداد زیادی خطوط مسیر برای ب­دست آوردن اطلاعات لازم جهت مدلسازی تاثیر فاز پراکنده بر فاز پیوسته استخراج می­گردد.

در این روش فرآیند­هایی از قبیل واکنش­ها، انتقال جرم و حرارت و ... می­توانند با جزئیات کافی مدل شوند. در مورد جریان­های آشفته، شبیه­ سازی تعداد زیادی خط مسیر برای دستیابی به یک میانگین معنادار حیاتی است. بنابراین حتی با این راه حل نیز هنگامی­که تعداد ذرات شبیه ­سازی شده زیاد می­شود، منابع محاسباتی مورد نیاز افزایش می‌یابند. طبق گزارشات، این راه حل برای شبیه ­سازی جریان­های فاز پراکنده با نسبت حجمی کمتر از 10 درصد مناسب است. برای جریان­های فاز پراکنده غلیظ­تر استفاده از روش اولری-اولری توصیه می­شود.

روش اولری-اولری جریان تمام فازها را در چهارچوب اولری بر مبنای فرض پیوستار نفوذی مدل می­کند. در این روش محاسبات خطوط مسیر و میانگین آن­ها در یک سطح محاسباتی انجام نمی­گیرد ولی به­ طور ضمنی در یک سطح مفهومی به­ دست می آید . مشخصه ­های پراکنده فرآیندهای اساسی جهت ایجاد یک مدل که متضمن یک فاز پیوسته مرتبط با ذرات پراکنده است میانگین­گیری می­شود. در حین فرمول­بندی معادلات حاکم این روش، موضوعات میانگین­گیری متنوعی مطرح می­گردند که اگر با موفقیت انجام شوند، می­توان از این روش برای فرآیندهای جریان چندفاز شامل کسر حجمی زیاد فازهای پراکنده استفاده نمود. این روش می­تواند برای مدلسازی و شبیه­ سازی راکتورهای چندفاز صنعتی پیچیده شامل تعداد زیادی ذرات فاز پراکنده تعمیم داده شود.

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 آن 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