25875

طراحي، شبيه‌سازي و بهينه‌سازي يك راكتور كاويتاسيون هيدروديناميكي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1400

1400/08/25

دكترمحمدامين ثباتي

مهندسي شيمي و نفت و گاز

توانايي كاويتاسيون براي آزاد كردن انرژي در شكلي مطلوب و تمركزيافته و در مقياس‌هاي طولي و زماني، آن را به يك ابزار جذاب براي تغيير شكل و انتقال انرژي تبديل مي‌كند. كاويتاسيون هيدروديناميكي انعطاف‌پذيري بالايي ازنظر شرايط عملياتي و هندسي دارا است و با بهينه‌سازي درست آن مي‌توان به بازدهي بالايي از انرژي رسيد. براي اعتبارسنجي كاربرد جريان كاويتاسيون براي سيستم‌هاي جريان فشار بالا، يك مطالعه اصولي از جريان فشار بالا از طريق صفحه اريفيس در يك لوله با سطح مقطع ثابت در دامنه وسيعي از شرايط عملياتي ارائه شده است. در اين پژوهش هدف شبيه‌سازي يك راكتور متداول كاويتاسيوني، اعتبار سنجي آن با داده‌هاي عمومي تجربي و حركت به سمت ارائه يك طرح مفهومي از راكتور ارتقا يافته كاويتاسيون هيدروديناميكي هست.تركيبي از روش‌هاي تئوري، عددي CFD و تجربي براي بررسي مشخصه‌هاي جريان دوفازي به كار گرفته شد كه اعتبارسنجي دبي حجمي ورودي را در اين سه قسمت به همراه داشت. دراين مطالعه آب به عنوان سيال كاري با فشارهاي مختلف 4-7 بار در لوله اي به طول 235 ميلي متر، قطر لوله 30 ميلي متر و قطرهاي مختلف اريفيس 2/2 ميلي متر، 4/4 ميلي متر و 8/8 ميلي متر با استفاده از معادله ويسكوزيته به صورت k-ε با استفاده از نرم افزار فلوئنت شبيه سازي شده و در ادامه پارامترهاي عملياتي بر افت فشار مورد بررسي قرار گرفت. اعتبارسنجي طول ناحيه كاويتاسيون در شرايط ناپايا براي سه قسمت شبيه‌سازي CFD،تئوري و آزمايشگاهي مطابقت قابل قبولي را به همراه داشت، به طوري كه دبي حجمي ورودي درفشار 7 بار براي نتايج آزمايشگاهي 25 ليتر بر دقيقه،نتايج تئوري 31/24 ليتر بر دقيقه و نتايج شبيه سازي CFD 24 ليتر بر دقيقه ارائه شدكه خطاي كلي نتايج شبيه سازي با نتايج آزمايشگاهي 4درصد و با نتايج تئوري 27/1 درصد گزارش شد.علاوه بر اين، از مدل‌هاي عددي مشخص شد كه هندسه اريفيس با قطر 4/4 ميلي‌متر و فشار ورودي 7 بار و فشار بخار 4/7381 پاسكال داراي شاخص تشكيل كاويتاسيون بهتر و فشار فروپاشي مناسب و البته زمان بازيابي فشار استاتيكي مناسبي را ارائه داد.

1400/10/21

Design, simulation and optimization of a hydrodynamic cavitation reactor

11/16/2022 12:00:00 AM

The ability of cavitation to release energy in a desirable and focused manner, and on a longitudinal and temporal scale, makes it an attractive tool for deformation and energy transfer. Hydrodynamic cavitation has high flexibility in terms of operating and geometric conditions, and with proper optimization, high energy efficiency can be achieved. To validate the application of cavitation current to high pressure flow systems, a principled study of high pressure flow through the orifice plate in a fixed cross-section pipe in a wide range of operating conditions is presented. In this research, the aim is to simulate a conventional cavitation reactor, validate it with general experimental data and move towards presenting a conceptual design of an enhanced hydrodynamic cavitation reactor. A combination of theoretical, numerical CFD and experimental methods were used to investigate the characteristics of two-phase flow, which resulted in the validation of the input volumetric flow in these three parts. In this study, water as a functional fluid with different pressures 4-7 times in a pipe with a length of 235 mm, pipe diameter of 30 mm and different diameters of Orifice 2.2 mm, 4.4 mm and 8.8 mm with Using the viscosity equation as k-ε was simulated using Fluent software and then the operating parameters on the pressure drop were investigated. Validation of the cavitation zone length in unsteady conditions for the three parts of CFD, theoretical and laboratory simulations was acceptable.Inlet volumetric flow rates at 7 bar for experimental results, theoretical results and CFD simulation results are reported as 25, 24.31 and 24 liters per minute, respectively. Due to this totall error, the simulation results with experimental results and theory results of 4 and 1.27% have been reported. In addition, the numerical models showed that the geometry of the orifice with a diameter of 4.4 mm and an inlet pressure of 7 bar and a vapor pressure of 7381.44 Pascal had a better area weighted average and a suitable collapse pressure and, of course, a good static pressure recovery time.

كاويتاسيون هيدروديناميكي , اريفيس , شاخص تشكيل كاويتاسيون , فشار فروپاشي , ديناميك سيالات محاسباتي

Hydrodynamic Cavitation , Orifice , Area Weighted Average , Collapse Pressure , CFD