31063

مدل‌سازي چگالش گازهاي چند‌جزئي در جريان‌هاي پر‌سرعت

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1397

1403/4/13

حجت قاسمي

/

مهندسي مكانيك

پديده چگالش همگن در جريان‌هاي منبسط شونده پرسرعت در تجهيزات صنعتي متعددي، مانند طبقات آخر توربين‌هاي بخار، جداسازهاي فراصوت و رانشگرها رخ مي‌دهد. در اثر كاهش دما و فشار در نازل‌هاي اين تجهيزات، شرايط رخداد چگالش و تشكيل قطرات مايع در جريان‌هاي پرسرعت فراهم مي‌شود. به دليل پيچيده بودن سينتيك تشكيل و رشد قطرات، مدل‌سازي اين پديده در جريان‌هاي پرسرعت چندجزئي يك مسئله پيچيده و كاربردي‌ است. بسياري از مطالعات پيشين، محدود به فرض‌هاي جريان گازهاي ايده‌آل و رخداد تعادلي پديده چگالش بوده‌اند كه از لحاظ شرايط ترموديناميكي حاكم، كاملا بر اين پديده منطبق نمي‌باشند. بنابراين لازم است كه ضمن حذف فرضيات فوق، اثر اين پديده بر پارامترهاي هدف در راستاي بهبود عملكرد نازل در كاربردهاي مختلف مطالعه شود. تعيين محل وقوع چگالش در جريان و همچنين مطالعه فيزيك رشد قطرات بر اساس شرايط هندسي و ترموديناميكي ورودي نازل‌ها، از اهميت ويژه اي برخوردار است. در حين وقوع چگالش غير‌تعادلي، در اثر آزاد شدن گرماي نهان حاصل از تغيير فاز، دما و فشار جريان در اثر وقوع يك شوك چگالشي افزايش مي‌يابد كه بر ترموديناميك جريان و عملكرد نازل‌ها اثر گذار است. در اين رساله اثرات رخداد چگالش غير‌تعادلي در جريانهاي منبسط شونده بر عملكرد نازل‌هاي همگرا-واگرا با تمركز بر بهبود عملكرد پيشرانشي و جداسازي مطالعه شده است. براي اين منظور ابتدا معادلات كوپل شده ديناميك گاز، مدل‌هاي جوانه‌زني و رشد قطرات در جريان‌هاي منبسط شونده تك‌جزئي به صورت يك‌بعدي معرفي شده‌اند. سپس از طريق تعميم معادلات حاكم بر جريان گاز دو‌جزئي، پديده‌ي چگالش در جريان محصولات تجزيه پيشرانه هيدروژن پراكسيد مدل‌سازي عددي شده است. براي افزايش دقت مدل، به ويژه در فشارهاي ورودي زياد، از معادلات حالت گاز واقعي در تعيين خواص و حالت مخلوط‌هاي گازي استفاده شده است. نتايج نشان مي‌دهند كه عبور حالت از خط اشباع جزء چگالا و تشكيل قطرات در حين انبساط جريان در بخش واگراي نازل باعث بهبود پارامترهاي پيشرانشي، مانند ضريب پيشرانش، تا حدود %‌6 نسبت به حالت خشك مي‌شود. به دليل رشد كم قطرات در رژيم مولكولي آزاد، چگالش غيرتعادلي تا انتهاي نازل رانشگر ادامه مي‌يابد. افزايش طول نازل منجر به ايجاد نانو قطرات بزرگ‌تر، كسر جرمي مايع بيشتر تا %4 و انتقال نقطه ويلسون به بخش‌هاي بالادست در نازل مي‌شود. در ادامه با تعميم مدل رشد قطره به يك مدل چند قطري جديد براي يك جريان چند‌جزئي، مسئله وقوع چگالش در محصولات احتراق منبسط شونده گاز دودكش مورد مطالعه قرار گرفته شده است. در اين مسئله نشان داده شده است كه تقويت جريان با هيدروژن مي‌تواند از طريق افزايش ظرفيت حرارتي گاز حامل براي جذب گرماي نهان در حين رشد قطرات، بر محدوديت بازدهي مايع‌سازي جداسازها غلبه كند و باعث افزايش اندازه قطرات خروجي و بازدهي مايع‌سازي نازل شود. در يك مورد خاص اين افزايش به ترتيب، تا حدود 1.3 و 1.5 برآورد شده است.

1403/05/14

Modeling the condensation of multi-component gases in high-speed flows

7/3/2025 12:00:00 AM

The homogeneous condensation phenomenon occurs in high-speed expanding flows in many industrial equipment, such as the last stages of steam turbines, supersonic separators, and thrusters. As a result of temperature and pressure drop in the nozzles of these equipment, the conditions for the condensation and the formation of liquid droplets in high-speed flows are provided. Due to the complexity of droplet formation and growth kinetics, modeling this phenomenon in multi-component high-speed flows is a complex and practical issue. Many previous studies have been limited to ideal gas assumption and equilibrium condensation, which do not match the thermodynamic conditions governing this phenomenon. Therefore, it is necessary to study the effect of this phenomenon on the target parameters to improve the nozzle performance in the different applications, while removing the above assumptions. Determining the location of condensation in the flow and studying the droplet growth physics based on the geometrical and thermodynamic conditions of the nozzle inlet is of particular importance. During the occurrence of non-equilibrium condensation shock, due to the release of latent heat resulting from the phase change, the temperature and pressure increase, affecting the flow thermodynamics and the performance of the nozzles. In this thesis, the effects of non-equilibrium condensation in expanding flows on the performance of converging-diverging nozzles are studied, focusing on improving the propulsion and separation performance of nozzles. For this purpose, the 1D coupled equations of gas dynamics, models of nucleation, and growth of droplets in single-component expanding flows are introduced first. Then, by generalizing the governing equations to binary component gas flow, the condensation phenomenon in a flow composed of hydrogen peroxide propellant decomposition products is modeled based on the numerical method. To increase the model accuracy, especially for high inlet pressure cases, real gas equations of state are used to determine the properties of the gas mixtures. The results show that passing through the saturation line of the condensable component and forming droplets during the expansion of the flow improves the propulsion parameters, such as the thrust coefficient, by about 6% compared to the dry state. Due to the small growth of droplets during the free molecular regime, non-equilibrium condensation continues to the thruster nozzle exit. Increasing the length of the nozzle leads to larger nano-droplets, the formation of a higher liquid mass fraction up to 4%, and the transfer of the Wilson point to the upstream parts of the nozzle. Finally, generalizing the droplet growth model to a new multi-diameter and multi-component flow, the condensation phenomenon in the combustion products of expanding flue gas has been studied. In this problem, it has been shown that enriching the flow by hydrogen can overcome the limitation of the liquefaction efficiency of separators by increasing the thermal capacity of the carrier gas to absorb latent heat during droplet growth and increase the exit droplet size and liquefaction efficiency. In a particular case, this increase has been estimated to be about 1.3 and 1.5, respectively.

جريان چندجزئي , شوك چگالشي , جوانه‌زني , رشد قطره , ضريب پيشرانش نازل , جداساز فراصوت CO2

Multi-component flow , Condensation shock , Nucleation , droplet growth , Thrust coefficient , CO2 supersonic sparators

Masood Sahami

Dr. Hojjat Ghasemi