10572

10572

ارائه الگوريتم جديد در شبيه سازي CFD انتقال جرم جريان هاي دوفازي گاز - مايع تك جزئي

دكتري

شيمي

تيرماه 1391

تيرماه 1391

دكتر سيد حسن هاشم آبادي

دكتر محمود بيات

در اين رساله شبيه¬سازي مستقيم انتقال جرم بين فازي در جريانهاي گاز-مايع انجام شده است. براي اين منظور ابتدا فصل مشترك با استفاده از روش VOF رهگيري شده و سپس انتقال جرم بين فازي با استفاده از چهار ديدگاه متفاوت در حالتهاي مختلفي شبيه¬سازي شده است. در ديدگاه اول انتقال جرم بين فازي از يك فاز خالص به فاز ديگر مخلوط با اعمال شرايط تعادل بصورت شرط مرزي داخلي شبيه¬سازي شده است. در ديدگاه دوم شبيه¬سازي انتقال جرم بين فازي از يك فاز خالص به فاز ديگر مخلوط با اصلاح معادله انتقال جرم انجام شده است. در ديدگاه سوم انتقال جرم بين فازي از يك فاز خالص به فاز ديگر مخلوط با تعيين شار انتقال جرم به وسيله ترم چشمه در فصل مشترك شبيه¬سازي شده است. در نهايت در ديدگاه چهارم شبيه-سازي انتقال جرم بين فازي زمانيكه هر دو فاز مخلوط دو جزئي با يك جزء ساكن در هر فاز باشند انجام شده است. از اين چهار ديدگاه، ديدگاه¬هاي دوم و چهارم براي اولين بار در اين رساله ارائه شده¬اند. تفاوت عمده اين ديدگاه¬ها در نحوه اعمال ترمهاي چشمه مربوط به انتقال جرم بين فازي مي¬باشد. جهت اعتبارسنجي ديدگاه¬هاي مختلف از چند مسئله مبنا استفاده شده است. مسائل مبنا طوري انتخاب شده¬اند كه اولاً داراي حل تحليلي باشند و ثانياً با استفاده از آنها بتوان صحت بخشهاي مختلف معادله بقاي جزء نظير نفوذ، جابه¬جايي و ترم گذرا را بررسي كرد. اين مسائل عبارتند از: شبيه¬سازي نفوذ در لوله، شبيه¬سازي انتقال جرم بين فازي در جريان لايه-اي و شبيه¬سازي جذب گاز از حباب كروي. نتايج شبيه¬سازي مسئله نفوذ در لوله نشان مي¬دهند كه شار انتقال جرم از فصل مشترك محاسبه شده با ديدگاه دوم كه در اين رساله براي اولين بار ارائه شده است نسبت به ديدگاه اول از دقت بهتري برخوردار است. به طوري كه حداكثر خطاي ديدگاه اول نسبت به حل تحليلي 28/12-% است، در حالي كه حداكثر خطاي ديدگاه دوم نسبت به حل تحليلي 12/4% مي¬باشد. نتايج اعتبارسنجي با مسائل مبنا نشان مي¬دهند كه ديدگاه¬هاي ارائه شده از دقت بسيار خوبي در شبيه¬سازي مستقيم انتقال جرم بين فازي برخوردار هستند. در ادامه با استفاده از اين ديدگاه¬ها دو مسئله كه از لحاظ ماهيت انتقال جرم با هم متفاوتند، شبيه¬سازي شده¬اند. مسئله اول، انتقال جرم از فاز گاز به فاز مايع را در نظر مي-گيرد. در اين مسئله جذب گاز از حباب تيلور به لخته مايع اطراف آن در اعداد موئينه مختلف براي اولين بار شبيه¬سازي شده است. جريان تيلور، رژيمي پويا و دوره¬اي از يكسري حباب همانند است كه در آن حبابهاي گاز تقريباً تمام سطح مقطع لوله را پر كرده و با استفاده از لخته¬هاي مايع از يكديگر جدا شده¬اند. در رساله حاضر اثر تغييرات عدد موئينه و ابعاد لوله موئين بر ميزان انتقال جرم بين فازي در رژيم تيلور بررسي شده است. نتايج نشان مي¬دهند كه ضريب انتقال جرم بين فازي با افزايش عدد موئينه كاهش مي¬يابد، علت اين كاهش به زمان تماس لخته مايع با حباب باز مي¬گردد. نتايج حاصل از شبيه¬سازي نشان مي¬دهند كه كاهش قطر لوله موئين در اعداد موئينه بزرگ مانند اعداد موئينه كوچك باعث افزايش ميزان انتقال جرم بين فازي مي¬شود. اين نتايج همچنين نشان مي¬دهند كه با افزايش طول سلول واحد در جريان تيلور، شار انتقال جرم بين فازي كاهش مي¬يابد. در ادامه با استفاده از نتايج شبيه¬سازي CFD روابطي براي محاسبه ضريب انتقال جرم بين فازي و عدد شروود در رژيم تيلور ارائه شده است. مسئله دوم شبيه¬سازي شده در اين رساله انتقال جرم از فاز مايع به گاز مي¬باشد، در اين مسئله براي اولين بار اتلاف سوخت هنگام بارگيري شبيه¬سازي شده است. اثر پارامترهاي مختلف نظير دما، سرعت ورودي سوخت و اشباع نسبي اوليه تانك بر ميزان تبخير بررسي شده است. واژه‌هاي كليدي: ديناميك سيالات محاسباتي (CFD)، شبيه¬سازي مستقيم انتقال جرم بين فازي، جريان گاز-مايع، جريان تيلور، هدر رفت سوخت.