22637

شبيه سازي CFD سيستم اندازه‌گيري ورتكس در جريان جامد-گاز

كارشناسي ارشد

طراحي فرايند

1396-1399

1399/7/2

دكتر سيد حسن هاشم آبادي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

به دليل كاربرد جريان‌هاي گاز - جامد در بسياري از سيستم‌هاي صنعتي، دستيابي به سيستم اندازه‌گيري دقيق و مطمئن براي يافتن اطلاعات لحظه‌اي و دقيق از سرعت و غلظت و ديگر ويژگي‌هاي فاز جامد در جريان گاز، براي طراحي و ساخت بهينه‌ي تجهيزات، به عنوان چالشي در حوزه‌هاي پژوهشي مطرح است. در اين پژوهش، يك روش جديد براي اندازه‌گيري اين سيستم، مورد بررسي قرار گرفته است. روش پيشنهادي، اندازه‌گيري ورتكس در جريان جامد در گاز است. اين روش در حال حاضر، در صنعت براي اندازه‌گيري ويژگي‌هاي جريان در سيستم تك‌فاز گاز يا مايع استفاده مي‌شود. در اين تحقيق، استفاده از اين روش در سيستم دوفازي جامد در گاز به منظور اندازه‌گيري سرعت و غلظت جامد در گاز مورد مطالعه قرار گرفته است. روش تحقيق، شبيه‌سازي CFD كنتور گردابه‌اي در جريان جامد – گاز است كه در آن گردابه‌هاي توليد شده در پشت موانع مختلف در سيستم سه بعدي در جريان ناآرام، با استفاده از مدل چندفازي اولرين–اولرين و مدل شبيه‌سازي آشفتگي RNG k-ε مورد مطالعه قرار مي‌گيرند. از نتايج پژوهش، دستيابي به چگونگي عملكرد كنتور گردابه‌اي با افزايش غلظت ذرات جامد در گاز است. بدين صورت كه با افزايش نسبت جرمي ذرات جامد در جريان گاز، فركانس توليد گردابه‌ها و در نتيجه عدد استروهال كاهش مي‌يابد. هم‌چنين در محدوده‌ي مطالعاتي جريان جامد –گاز رقيق از ذره، در محدوده‌ي كسر حجمي جامد 5-10 × 9 تا كمتر از 0.001 و عدد استوكس تقريبي در مرز يك و جريان ناآرام با محدوده رينولدز تقريبي 50 هزار تا 170 هزار، براي دو مانع متوالي در حاليكه با افزايش 2.6 برابري سرعت و عدد رينولدز، درصد خطي بودن عدد استروهال براي تك‌فاز گاز حدود 0.37 درصد محاسبه شد، براي مخلوط گاز-جامد حدود 44 درصد بدست آمد و در نتيجه محاسبه‌ي دبي جرمي جريان مخلوط با همان روابط كنتور گردابه‌اي براي فاز خالص، در محدوده‌ي مطالعاتي، حداكثر خطاي 64 درصد بدست مي‌دهد كه اين خطاي اندازه‌گيري با افزايش سرعت جريان كاهش مي‌يابد و رفتار مخلوط جريان گاز-جامد به رفتار فاز خالص نزديك‌تر مي‌شود تا جاييكه شايد بتوان از همان روابط كنتور گردابه‌اي مربوط به فاز خالص، استفاده كرد. هم‌چنين با استفاده از خطوط راهنماي نمودارهاي بدست آمده، مي‌توان روابط جديدي براي محاسبه‌ي دبي حجمي جريان مخلوط و يا محاسبه‌ي غلظت ذرات جامد در گاز (در صورت معلوم بودن ديگري) با يك نسبت خطاي مشخص (با استفاده از رابطه‌ي پيشنهادي در اين پژوهش براي محاسبه‌ي دبي حجمي، حدود 10 درصد) تخصيص داد. بدين ترتيب، مسيري براي تحقيقات گسترده‌تر و ارزشمند در اين حوزه، گشوده شده است.

1399/08/28

CFD Simulation of Vortex Measurement System in Gas-Solid Flow

9/23/2020 12:00:00 AM

Due to the use of solid-gas streams in many industrial systems, the achievement of an accurate and reliable measurement system to find instantaneous and accurate information of concentration and velocity and other solid phase properties in the gas stream, for design And the optimal construction of equipment is a challenge in the field of research. In this research, a new method for measuring this system has been investigated. The proposed method is to measure the vortex in solid flow in gas. This method is currently used in industry to measure the flow characteristics in a single-phase gas or liquid system. In this research, the use of this method in two-phase system of solid in gas has been studied to measure the velocity and solid concentration in gas. The research method is CFD simulation of a vortex meter in solid-gas flow in which the vortices generated behind various obstacles in a three-dimensional system in turbulent flow are studied using the Eulerian- Eulerian multiphase model and the RNG k-ε turbulence simulation model. One of the results of the research is to achieve how the vortex meter works by increasing the concentration of solid particles in the gas. Thus, by increasing the mass ratio of solid particles in the gas flow, the production frequency of vortices and consequently the Strouhal number decreases. Also in the study range of solid-dilute gas flow from the particle, in the solid volume fraction range of 9 × 10-5 to less than 0.001 and the approximate Stokes number in the first boundary and the restless flow in the Reynolds range of approximately 50,000 to 170,000, for two consecutive obstacles While with a 2.6-fold increase in velocity and Reynolds number, the linearity percentage of the Strohall number for the single-phase gas was calculated to be about 0.37%, for the gas-solid mixture it was about 44% and As a result, the calculation of the mass flow rate of the mixed flow with the same vortex meter relations for the pure phase, in the study range, gives a maximum error of 64%, which this measurement error decreases with increasing flow rate and the gas-solid mixture behavior is closer to the pure phase behavior to the extent that it may be possible to use the same vortex meter equations for the pure phase. Also, using the guidelines of the obtained diagrams, new relationships can be made to calculate the volumetric flow rate of the mixed flow or to calculate the concentration of solid particles in the gas (if known otherwise) with a specific error ratio (using the relationship proposed in this study to calculate Volume flow, about 10%). This paves the way for more extensive and valuable research in this area. This paves the way for more extensive and valuable research in this area.