0

برای مشاهده لیست وارد شوید...

مشاهده محصولات فروشگاه
0

هیچ محصولی در سبد خرید نیست.

شبیه‌سازی جریان چندفازی به کمک CFD

چکیده

در این مطلب در مورد جریان چندفازی و تعریف دقیق آن به همراه رهیافت‌های مختلف عددی برای شبیه‌سازی آن صحبت می‌شود.

در بسیاری از جریان‌های واقعی بیش از یک سیال وجود دارد:

      ♦ سیال‌های مختلف در یک فاز (مانند آب و روغن و یا هوا و متان)

     ♦ فازهای مختلف یک سیال (مانند آب و بخار)

نکته مهمی که در مورد این جریان‌ها وجود دارد، نحوه اختلاط (Mixing) سیال‌ها است:

     ♦ اگر اختلاط در سطح مولکولی باشد، مسئله یک جریان چندگونه‌ای (Multi-species) است، مانند احتراق متان با هوا. در این‌گونه مسائل یک میدان سرعت و دما برای همه گونه‌ها در نظر گرفته می‌شود.

      ♦ اگر اختلاط ماکروسکوپیک (Macroscopic) باشد، مسئله یک جریان چندفازی (Multiphase) است. در این‌گونه مسائل یک مرز مشخصی بین فازها وجود دارد و در شبیه‌سازی عددی این نوع جریان‌ها باید برای حل‌گر عددی مشخص کرد که آیا این مرز مانند یک سطح آزاد (Free Surface) عمل می‌کند و یا در قالب یک سری قطره است.

در مسائل چندفازی همان‌طور که شکل زیر نشان می‌دهد، همواره یک فاز اصلی (Primary Phase) و یک یا چند فاز ثانویه (Secondary Phase) وجود دارد. یک فاز که معمولاً فاز اصلی است، پیوسته و فاز یا فازهای ثانویه به‌صورت پخش‌شده در فاز پیوسته در نظر گرفته می‌شوند. البته در جریان‌های شامل سطح آزاد، یک مرز مشخصی بین فازها وجود دارد و همه فازها پیوسته در نظر گرفته می‌شوند.

رژیم‌های جریان چندفازی در شكل زیر نشان داده شده است. این دسته‌بندی بر اساس فازهای حاضر در مسئله است.

در مباحث مربوط به جریان چندفازی، جهت مشخص کردن میزان حضور یک فاز در یک نقطه مشخص از اصطلاح کسر حجمی (Volume Fraction) استفاده می‌شود که تعریف آن بر اساس شكل زیر به‌صورت زیر است:

رهیافت‌های مختلفی برای مدل‌سازی جریان‌های چندفازی وجود دارد:

  • Discrete Phase Model (DPM)
  • Volume of Fluid Model (VOF)
  • Eulerian Model
  • Mixture Model

در رهیافت DPM مسیر حرکت ذرات، قطرات و حباب‌ها بر اساس دیدگاه لاگرانژی محاسبه می‌شود. در این رهیافت از تداخلات بین ذرات صرف‌نظر می‌شود، اگرچه ذرات می‌توانند با فاز اصلی پیوسته تبادل جرم، مومنتم و انرژی داشته باشند. این رهیافت برای جریان‌های شامل حباب، قطره و یا ذرات جامد و در کاربردهایی مانند سیکلون، خشک‌کن افشانه‌ای (Spray Dryers) و احتراق زغال کاربرد دارد.

رهیافت چندفازی اویلری یک رهیافت چندسیاله است و در آن همه فازها هم‌زمان با هم حضور دارند. در این رهیافت معادلات انتقال برای هر فاز به‌صورت مجزا نوشته می‌شود و این معادلات شامل جملاتی برای لحاظ تداخل بین فازها (مانند نیروهای برآ و پسا و نیز انتقال جرم) می‌شوند. این رهیافت در محدوده وسیعی از جریان‌های چندفازی کاربرد دارد؛ ولی معمولاً هزینه محاسباتی آن بالا است.

رهیافت Mixture Model حالت ساده‌شده رهیافت اویلر و بر پایه فرض کوچک بودن عدد استوکس (Stokes Number) جریان است. عدد استوکس نسبت مقیاس زمانی فاز پراکنده (Disperse Phase) به مقیاس زمانی فاز پیوسته است. عدد استوکس خیلی کوچک‌تر از یک به معنی این است که حرکت ذرات تا حد زیادی از جریان اصلی تبعیت می‌کند و عدد استوکس بزرگ‌تر از یک به معنی حرکت مستقل ذرات است. در رهیافت Mixture Model یک معادله پیوستگی جرم برای مخلوط، یک معادله انتقال کسر حجمی برای هر فاز ثانویه و یک معادله برای بقای مومنتم مخلوط حل می‌شود. این رهیافت قابلیت تعریف سرعت لغزشی بین فازها را دارد.

رهیافت VOF باهدف ره‌گیری موقعیت و حرکت سطح آزاد بین فازهای مخلوط‌نشدنی توسعه یافته است. کاربرد این رهیافت بیش‌تر برای جریان‌های چندفازی شامل سطوح آزاد بین فازها و جریان‌های لایه‌ای است. در رهیافت VOF معادله پیوستگی برای کسر حجمی یک یا چند فاز باهدف پیدا کردن مرز بین فازها، یک معادله بقای مومنتم برای مخلوط و یک معادله انرژی برای مخلوط حل می‌شود.

جواد سپاهی یونسی
جواد سپاهی یونسی

درباره نویسنده: دانش‌آموخته رشته مهندسی هوافضا از دانشگاه صنعتی شریف، عضو هیئت علمی گروه مهندسی مکانیک در دانشگاه فردوسی مشهد، آموزش و پژوهش در حوزه CFD از سال ۱۳۸۵

نظرات کاربران

    دیدگاهتان را بنویسید

    نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

    • چنان‌چه دیدگاهی توهین‌آمیز باشد و متوجه اشخاص مدیر، نویسندگان و سایر کاربران باشد، تایید نخواهد شد.
    • چنان‌چه دیدگاه شما جنبه تبلیغاتی داشته باشد، تایید نخواهد شد.
    • چنان‌چه از لینک سایر وب‌سایت‌ها و یا وب‌سایت خود در دیدگاه استفاده کرده باشید، تایید نخواهد شد.
    • چنان‌چه در دیدگاه خود از شماره تماس، ایمیل و آیدی تلگرام استفاده کرده باشید، تایید نخواهد شد.
    • چنان‌چه دیدگاهی بی‌ارتباط با موضوع آموزش مطرح شود، تایید نخواهد شد.

    مطالعه مطالب زیر نیز پیشنهاد می‌شود:

    0