مقدمه‌ای بر مدلسازی جریان‌های چند فازی در نرم‌افزار فلوینت

مقدمه‌ای بر مدلسازی جریان‌های چند فازی در نرم‌افزار فلوئنت

در ادامه مقالات آموزشی رشته مهندسی مکانیک گرایش سیالات در این مقاله آموزشی به کاربردی دیگر از نرم افزار فلوینت  در مهندسی مکانیک پرداخته می شود که امیدواریم برای شما مفید واقع شود . همان طور که در مقالات قبلی ذکر گردید نرم افزار Fluent از مهم ترین و پرکاربردترین نرم افزار در مقطع کارشناسی ارشد می باشد که بسیاری از دانشجویان و فارغ التحصیلان با استفاده از نرم افزار فلوینت به ارایه مقالات پژوهشی و علمی , پایان نامه های کارشناسی ارشد و انجام پروژه های صنعتی می پردازند . در ادامه به مقدمه‌ای بر مدلسازی جریان‌های چند فازی در نرم‌افزار فلوئنت می پردازیم .

جریا‌ن‌های چند فازی را می‌توان در ۴ دسته طبقه‌بندی نمود : جریان‌های گاز-مایع یا مایع-مایع ، جریان‌های گاز-جامد ، جریان‌های مایع-جامد و جریان‌های سه فازی .

جریان‌های گاز - مایع یا مایع - مایع : رژیم‌های زیر جزو جریان‌های گاز-مایع یا مایع-مایع به حساب می‌آیند :

• جریان حباب‌دار (Bubbly flow): جریان حباب‌های مایع یا گازی گسسته در یک مایع پیوسته 
• جریان قطره‌ای (Droplet flow): جریان قطره‌های گسسته مایع در یک محیط گازی پیوسته
• جریان لخت (Slug flow): جریان حباب‌های مایع در یک مایع پیوسته 
• جریان لایه‌ای/سطح آزاد (Stratified/free-surface flow): جریان مایعات مخلوط نشدنی که توسط یک سطح مشترک از هم جدا شده‌اند .

جریان‌های گاز - جامد : رژیم‌های زیر جزو جریان‌های گاز - جامد به حساب می‌آیند :

• جریان ذرات مملو (Particle-laden flow): جریان ذرات گسسته جامد در یک محیط پیوسته گازی
• جریان انتقال پنوماتیک (Pneumatic transport): الگوی جریانی است که بستگی به فاکتورهایی نظیر بارگیری جامد، عدد رینولدز و خواص ذرات دارد .
• بستر سیال (Fluidized bed): شامل محفظه‌ای از ذرات جامد است که در داخل آن جریان گاز توسط یک توزیع‌کننده تزریق می‌شود . این گاز بالارونده از بستر ، منجر به معلق‌شدن ذرات می‌شود .

جریان‌های مایع - جامد: رژیم‌های زیر جزو جریان‌های مایع - جامد به حساب می‌آیند :

• جریان دوغابی (slurry flow): این جریان مربوط به انتقال ذرات جامد در مایع می‌شود . در جریان دوغابی معمولاً کوچکتر از یک است .
• Hydrotransport: مربوط به ذرات جامد متراکم در یک سیال پیوسته می‌باشد .
• رسوب‌گذاری (Sedimentation): یک ستون بلند که در ابتدا شامل مخلوط یکنواخت و پراکنده از ذرات می‌باشد را توصیف می‌کند .

جریان‌های سه فازی : این جریان‌ها، ترکیبی از سایر رژیم‌ّهای مذکور می‌باشند .‌

برای مدلسازی جریان‌های چند فاز سه دیدگاه وجود دارد : دیدگاه حجم سیال (VOF)، دیدگاه اویلرین-لاگرانژین (EL) و دیدگاه اویلرین-اویلرین (EE). در دیدگاه حجم سیال ، که برای تحلیل سیستم‌های چند فازی ، شامل دو یا چند سیال غیر قابل اختلاط استفاده می‌شود ، هدف اصلی آگاهی از موقعیت فصل مشترک می‌باشد . دیدگاه EL برای جریان‌های دو فاز با کسر حجمی کمتر از ۱۰ درصد فاز پراکنده استفاده می‌شود و در آن فاز پراکنده از دیدگاه لاگرانژین و فاز پیوسته از دیدگاه اویلرین مدلسازی می‌شود . دیدگاه EE برای مسائلی که در آنها مقدار فاز پراکنده بیش از ۱۰ درصد است ، مناسب می‌باشد . در این روش هر دو فاز پراکنده و پیوسته توسط دیدگاه اویلرین مدل می‌شوند .

نرم‌افزار فلوینت (انسیس فلوینت) ، قادر به شبیه‌سازی تمام رژیم‌های جریان چند فازی می‌باشد . در اینجا به طور خلاصه روند شبیه‌سازی یک مسأله جریان چند فازی در نرم افزار Fluent بیان می‌شود . لازم به ذکر است که از ذکر جزئيات  موارد عمومی شبیه‌سازی ، مانند تولید هندسه ، مش و ... خودداری شده است . در ابتدا بایستی مدل چند فازی (VOF و ...) که قصد استفاده از آن را داریم و تعداد فازها را در پانل Multiphase model از منوی Models مشخص کنیم . برای مدل‌های VOF‌ و EE، فرمولاسیون جزء‌ حجمی نیز بایستی تعیین شود .

سپس بایستی مواد تشکیل‌دهنده هر فاز را از قسمت Materials‌ کپی کنیم . در ادامه باید به تعریف فازها و بر‌هم‌کنش بین آنها (برای مثال ، توابع درگ در صورت استفاده از مدل EE)، از طریق پانل Phases‌ از زیر منوی Multiphase  بپردازیم .

در صورت وجود نیروهای حجمی ، شتاب جاذبه و مقدار آن را از طریق پانل Operating Conditions از منوی Cell Zone Conditions تنظیم کنید . سپس نوبت به تنظیم شرایط مرزی شامل کسر حجمی فاز ثانویه و ضرایب تماس در دیواره‌ها می‌رسد .‌ جدول زیر تنظیمات مربوط به مشخصات فازها و شرایط مخلوط را برای مدل VOF نشان می‌دهد .

در ادامه ، همانند سایر مسائل مدلسازی در نرم افزار فلوینت ، بایستی پارامترهای حل را از طریق پانل Solution تنظیم نماییم . سپس بایستی تنظیمات مقداردهی اولیه شبیه‌سازی را انجام داده و همچنین مقدار اولیه کسر حجمی را برای فاز ثانویه از طریق منوی Solution Initialization تعیین کنیم .

در انتها می‌توانیم شبیه‌سازی را از طریق منوی Calculate شروع کنیم و توسط نرم‌افزار CFD-Post (ابزار استاندارد پس‌پردازش نرم‌افزار فلوئنت) نتایج را مشاهده و تحلیل کنیم .

جریان‌های چند فازی در نرم‌افزار فلوئنت یکی از مهم ترین مباحث در کارشناسی ارشد می باشد که امیدواریم با مقاله ای که برای داشنجویان در نظر گرفته شده است بتوانند به ارایه مقالات علمی و پژوهشی , استفاده از آن در پایان نامه های کارشناسی ارشد و پروژه های صنعتی بپردازند .

برای آموزش نصب نرم افزار فلوینت نیز می توانید بر روی واژه نرم افزار فلوینت کلیک نمایید تا به مقاله مورد نظر منتقل شوید .

برای مطالعه بیشتر مقاله های آموزشی در رشته مکانیک می توانید مقاله های زیر را مطالعه نمایید :

معرفی Fortran Intel

آموزش نصب نرم افزار CFX

مدل سازی FSI در نرم افزار Fluent

مدل سازی توربوماشین در نرم افزار Fluent