31144

مدلسازي كاهش پسا ناشي از تزريق پساكاه در جريان متلاطم عبوري از خط لوله

دكتري

مهندسي شيمي

1398

1403/04/11

دكتر سيد نطام الدين اشرفي زاده

دكتر سيد حسن هاشم آبادي، دكتر حميدرضا كرمي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

افت فشار ناشي از تنش¬هاي برشي جريان آشفته درون خطوط لوله باعث مي¬شود انتقال سيالات از اين طريق فرآيند بسيار پرهزينه¬اي باشد كه اين افت فشار با تزريق پساكاه تا حد چشمگيري كاهش پيدا مي¬كند. اين مطالعه با هدف مدلسازي و شبيه‌سازي جريان¬هاي مذكور در راستاي دستيابي به پارامترها و خواص مهم آنها، با استفاده از مدل¬هاي توربولانسي رينولدز پايين k-ε وk-ω و مدل ويسكوالاستيكي GNF اصلاح يافته انجام شده است. نتايج مدل¬هاي مذكور با يكديگر و با نتايج مدل كروز-پينهو و نيز برخي داده‌هاي تجربي معتبر مقايسه گرديده است. براي شبيه‌سازي جريان از نرم‌افزار فلوئنت استفاده شده است و معادلاتي كه بيانگر خواص رئولوژي و رفتار ويسكوالاستيكي سيال هستند از طريق UDF كدنويسي شده و به نرم¬افزار الحاق گرديده¬اند. در مدل¬هاي مزبور از يك لزجت مولكولي غيرخطي و تابع تعديل غيرنيوتني براي محاسبه دقيق اثرات نزديك ديواره كه قبلاً توسط گروه پينهو بدست آمده¬اند، استفاده شده است. در اين پژوهش ابتدا از نسخه¬هاي RKE و RNG مدل k-ε استفاده گرديده و عبارت‌هاي غيرنيوتني مختص سيال ويسكوالاستيك در معادلات انتقال k، ε و مومنتوم لحاظ گرديده¬اند. همچنين، پارامترهاي كاليبراسيون شبيهسازي براي تمام سيالات مورد مطالعه بهينه‌سازي گرديده¬اند. نتايج بدست آمده حاكي از رفتار نسبتاً مشابه مدل¬هاي RKE و RNG است. اين مدل¬ها ضريب اصطكاك را با اختلاف متوسط 45/5% با داده¬هاي آزمايشگاهي پيش¬بيني كردند كه در مقايسه با مدل كروز-پينهو كه انحراف 49/32% از داده¬هاي آزمايشگاهي دارد، موفق¬تر بوده¬اند. با اينحال، عملكرد آن‌ها براي انرژي جنبشي آشفتگي تا حدودي ضعيف بوده است كه براي بهبود آن از مدل تركيبي لاندر-شارما و كروز-پينهو استفاده گرديده كه منجر به حصول نتايج مطلوبي شده است. اختلاف نتايج اين مدل براي ضريب اصطكاك با داده¬هاي آزمايشگاهي 71/3% است. در ادامه، مدلk-ω براي سيالات ويسكوالاستيك GNF اصلاح يافته از طريق مدلسازي رياضي مدل k-ε استخراج و شبيه سازي گرديده است. مدل k-ω نسبت به مدل¬هاي k-ε عملكرد بهتري بخصوص در نواحي نزديك ديواره از خود نشان داده است، بنحويكه نتايج آن در y+ كمتر از 10 در بيشتر حالات، انطباق صد در صدي با داده¬هاي آزمايشگاهي دارد. متوسط اختلاف ميزان ضريب اصطكاك محاسبه شده توسط مدل توسعه يافته در اين تحقيق و داده¬هاي آزمايشگاهي 33/3% است.

1403/06/11

Modeling of Drag Reduction Due to DRA Injection in Turbulent Pipe Flow

7/1/2025 12:00:00 AM

Turbulent flow within pipelines generates significant pressure drops due to shear stresses. These pressure drops contribute substantially to the cost of fluid transportation. Drag Reduction Agents (DRAs) significantly reduce these pressure drops. This study aimed to model and simulate such flows using Low-Reynolds turbulence models (k-ε and k-ω) coupled with Pinho's viscoelastic model to obtain key flow parameters and properties. The results from these models were compared with each other, the Cruz-Pinho model, and validated experimental data. Fluent software was used for the simulations. User-Defined Functions (UDFs) were coded and implemented within Fluent to incorporate the equations representing the rheological properties and viscoelastic behavior of the fluids. These models employ a non-linear molecular viscosity and a non-Newtonian damping function to accurately capture near-wall effects, as previously demonstrated by Pinho's group. This study employed the RKE and RNG variants of the k-ε model. The k, ε, and momentum transport equations were modified to incorporate non-Newtonian terms specific to the viscoelastic fluids. Additionally, simulation calibration parameters were optimized for all studied fluids. Both RKE and RNG models exhibited comparable behavior, with an average deviation of 5.45% in friction factor prediction compared to experimental data. This performance surpassed the Cruz-Pinho model, which showed a 32.49% deviation. However, their accuracy for turbulent kinetic energy was less satisfactory. To address this limitation, the Lander-Sharma and Cruz-Pinho combined models were implemented, yielding improved results. The friction factor predicted by this combined model deviated from experimental data by only 3.71%. Following this, a k-ω model for modified GNF viscoelastic fluids was derived based on the mathematical framework of the k-ε model. The k-ω model demonstrated superior performance, particularly near walls (y+ < 10), where its results closely matched the experimental data in most cases. The average deviation between the friction factor calculated by this model and the experimental data was 3.33%.

خط لوله , پساكاه , جريان آشفته , شبيه‌سازي CFD , سيال ويسكوالاستيك , مدل k-ε , مدل k-ω

Pipeline , DRA , Turbulent flow , Viscoelastic fluid , k-ε model , k-ω model

Mohammad Niazi

Dr. Seyed Nezameddin Ashrafizadeh