17533

17533

مدل سازي ميدان و جريان صوت به همراه كاويتاسيون در راكتور شاخه دار

كارشناسي ارشد

طراحي و شبيه سازي و كنترل فرايند

دي 1395

دكتر شاهرخ شاه حسيني

شيمي

تأثير يك ميدان صوتي بر سيال موردبررسي مي‌تواند باعث ايجاد تغييرات فيزيكي و شيميايي شود. ازجمله اين تغييرات مي‌توان به تشكيل ميكرو حباب‌هايي در نواحي فعال از راكتور اشاره كرد. با توجه به فشار صوتي در هر يك از اين نواحي، مي‌توان رفتار هيدروديناميكي حباب را پيش‌بيني كرد. فشار صوتي در داخل راكتور با حل معادله هلمهولتز و شرايط مرزي مناسب به دست مي‌آيد. در اين نواحي اين ميكرو حباب‌ها شروع به تشكيل و رشد مي‌كنند و درنهايت متلاشي‌شده و دما و فشار قابل‌توجهي را ايجاد مي‌كنند. گازهاي به دام افتاده شده در داخل اين حباب‌ها كه در حين فروپاشي سريع حباب فرصت كافي براي فرار از داخل آن را ندارند به‌واسطه‌ي اين دما و فشار بالا راديكال‌هايي را آزاد مي‌كنند و اين راديكال‌هاي با انتشار در بالك مايع امكان انجام واكنش‌هاي شيميايي را فراهم مي‌كنند. اين امواج به دليل تضعيف به‌واسطه‌ي جذب و پراكندگي در محيط انتشار منجر به ايجاد جريان صوتي نيز مي‌شوند و اين خود به پخش شدن هر چه‌بهتر راديكال‌ها به‌صورت يكنواخت در سيال كمك مي‌كند. در اين تحقيق براي شبيه‌سازي ميدان سرعت در داخل راكتور از حل معادله نوير استوكس به همراه معادله‌هاي اغتشاش (k-ε) با در نظر گرفتن نيروي حجمي در نزديكي نوك پراب در نرم‌افزار كامسول استفاده شده است. با توجه به تحقيقات انجام‌گرفته شده در سال‌هاي اخير تأثير فشار صوتي ناشي از انتشار امواج در داخل سيال بر ديناميك حباب موردتوجه خاصي قرار گرفته نشده است. علاوه بر اين در بسياري از تحقيقات از ترم‌هاي انتقال جرم و انتقال حرارت در شبيه‌سازي ديناميك حباب صرف‌نظر شده است. هدف از اين تحقيق بررسي تأثير هندسه راكتور و همين‌طور توان اسمي راكتور بر فشار صوتي داخل آن توسط نرم‌افزار كامسول مي‌باشد و بر اساس فشار صوتي ايجادشده ناشي از انتشار اين امواج، رفتار حباب‌ها براي هر دو سيال آب و تولوئن در اين نواحي پيش‌بيني شده است. در بررسي هيدروديناميك حباب از معادله كلر-ميكسس به همراه انتقال جرم و حرارت استفاده شده است كه برخلاف معادله رايلي-پلست از دقت بسيار بالايي برخوردار مي‌باشد. علاوه بر اين به‌منظور اعتبارسنجي نتايج شبيه‌سازي از روش سرعت سنجي تصويري ذرات (PIV) استفاده شده است كه درنهايت داده‌هاي شبيه‌سازي خطاي 17 درصدي را با داده‌هاي PIV نشان مي‌دهند. در آخر تأثير توان دستگاه بر ايجاد ميزان اغتشاش در سيستم، پارامتري مؤثر و مفيد شناخته شده است و شعاع حباب را تا حدود 600 برابر شعاع اوليه‌اش افزايش مي‌دهد اما در ارتباط با نواحي با دما و فشار بالا در داخل راكتور رفتار پيچيده‌تري را از خود نشان مي‌دهد. واژه‌هاي كليدي: امواج مافوق صوت، شبيه‌سازي، پديده كاويتاسيون، ديناميك حباب

1396/04/06

1/1/1900 12:00:00 AM

In this study, acoustic pressure and acoustic streaming by using the finite element method in the reactor system of horn was investigated. After validation of simulation results by PIV data, investigation on geometry of the reactor and operating condition of the system like input power was done. For small to moderate pressure amplitudes the bubble radius will increase and decrease concomitantly with the decrease and increase of the acoustic pressure. However, for high intensity field, where the amplitude of the acoustic wave is higher or equal than the Blake threshold, inertial bubbles will exhibit a manifold volume increase followed by a dramatically sharp compression usually referred as bubble collapse. The collapsing process can be considered as an adiabatic process because the time scale of heat diffusion is longer than the time of the radial movement of the bubble wall. The acoustic cavitation threshold for both water and toluene was obtained and based on this pressure and the acoustic pressure in the reactor, active regions for cavitation was recognized. Based on the pressure in the active regions, the fluctuation of gas bubbles under the action of ultrasonic irradiation was represented by solving the keller-miksis equation with heat and mass transfer. The pressure and temperature that these bubbles reach when they collapsed, was calculated. Osilation of the bubbles in these regions and also variation of the water vapor molecules in the bubbles was determined. Four analytical ways were employed in order to obtain the reasonable results: (i) using the modified keller-miksis model to indicate the microbubbles behavior and their characteristic under the ultrasound radiation; (ii) using the Helmholtz equation with out of plane wave number in the CFD simulation in order to study the distribution of pressure within the reactor; (iii) using the momentum equation and turbulent equation to simulate the acoustic streaming in the comsol; (iv) using PIV analysis to confirm the simulation results; (vi) using calorimetric method for calculating the quantities of power that distributed in the reactor. Keywords: acoustic cavitation, CFD simulation, sonoreactor, dynamics and cavitation bubble collapse