دانلود پایان نامه

محققان

فصل 3 مروری بر تحقیقات والگو
فصل 3 با توصیف نقشه جریان دو فازی گاز – مایع و توزیع رژیم آنها در نقشه دو بعدی به نام الگوهای جریان و نقشه رژیم در لوله های افقی و عمودی شروع می شود. اطلاعات خاص درباره مشخصات جریان حبابی و پدیده انتقال از جریان حبابی به جریان اسلاگ (لخته ای ) ، بیشتر ارائه شده است. روش عددی تحت عنوان مدل موازنه جمعیتی با بسیاری از سناریوها شناخته شده است که توانایی شبیه سازی مشخصات جریان حبابی پیچیده شامل تغییر شکل حباب، ادغام و شکست را دارد. اصل مدل موازنه جمعیتی و سابقه آن بیشتر توضیح داده شده است.
3-1) الگوهای جریان دو فازی گاز – مایع و نقشه رژیم در لوله های افقی و عمودی
مورفولوژی فازهای گاز و مایع به خاطر اینکه مکانیزم های اساسی انتقال حرارت به شدت از یک توزیع به دیگری تغییر می کند ، به عنوان اطلاعات ضروری وپایه ای شناخته شده است،. در مرحله اول تحقیق جریان دو فازی گاز- مایع، اهمیت ساختار جریان به صورت گسترده شناخته شده است؛ پس، تحقیق روی شناسایی و توصیف مخلوط جریان تاکید دارد(یانگ و همکاران 2004). با فراوانی تجربیات بصری جریان دو فازی گاز – مایع ، ساختارهای جریان در چندین دسته شناخته شده اند که تحت عنوان الگوهای جریان نامیده می شوند. زمانی که تحقیق اضافی منجر به یک انتقال از یک الگوی جریان به دیگری می شود، نقشه رژیم الگوهای جریان نیزبه عنوان دانش مهمی در نظر گرفته می شود.
3-1-1) الگوهای جریان و نقشه رژیم در جریان لوله عمودی
با مشاهدات تجربی بسیاری در پیکربندی های عمودی جریان دو فازی گاز – مایع، برخی ساختارهای مشاهده شده معمول جریان شناسایی و دسته بندی شده است که در شکل 1-3 نشان داده شده است.

شکل 1-3. الگوهای جریان جریان دو فازی هوا-آب در لوله عمودی
همانطور که در شکل 1-3(a) نشان داده شده است، زمانی که کسر خالی گاز کم ولی سرعت های نسبی بین دو فاز بالاست، آشفتگی شدید ایجاد شده توسط سرعت های نسبی بالا می تواند به آسانی سرعت کم گاز را بشکند که باعث می شود که فاز گاز به شکل حباب های تقریبا گسسته و کروی در فاز پیوسته مایع پراکنده شود. حباب ها ممکن است اندازه های مختلفی داشته باشند، با این حال، بسیار کوچکتر از قطر لوله هستند. این ساختار جریان، جریان حبابی نامیده می شود.
با افزایش کسر خالی گاز، حباب ها به یکدیگر در محل های فضایی محدود شده فشرده می شوند که تمایل دارند که حباب های کوچک با هم برخورد کرده و بشکنند تا حباب های بزرگتر افزایش یابند. در شرایط جریان اسلاگ بیان شده در شکل 1-3(b)، این حباب های بزرگتر، که حباب های تیلور نامیده می شوند، تقریبا در ابعاد به قطر لوله مشابه اند و شکل گلوله دارند. مشاهده می شود که گلوله های مایع ، حباب های تیلور را جدا می کنند وممکن است شامل حباب های کوچک باشد. این حباب های کوچک به آسانی توسط حباب های تیلور به دلیل تاثیرات ضعیف آن مکیده می شود.
با افزایش پیوسته کسر خالی گاز، حباب های تیلور با یکدیگر ترکیب می شوند تا مایع را از مرکز لوله خارج کنند تا فیلم مایع نزدیک دیواره لوله تشکیل شود. با این حال، فیلم مایع ساختار ناپایدار دارد و مسیر نوسانی دارد. جریان فاز مایع بسته به نتایج ، بین نیروی گرانشی و برشی که روی فیلم نازک مایع اعمال می شوند، به سمت بالا یا پایین جریان دارند. نیروهای گرانشی و برشی نسبتا برابر بوده و در جهات مختلف روی فیلم مایع اعمال می شوند. این الگوی جریان تحت عنوان جریان گردنده( کف آلود) 53نامیده می شود که در شکل 1-3(c) رسم شده و یک رژیم میانی بین جریان اسلاگ و حلقوی است و ممکن نیست در شرایط جریانی با اندازه های مختلف لوله مشاهده شود.
زمانی که نیروی غالب روی فیلم مایع از نیروی برشی است که حاصل افزایش نسبی سرعت ها بین دو فاز است، فاز گاز مرکز لوله را به عنوان فاز پیوسته اشغال می کند در حالی که فیلم مایع نازک تر می شود و حلقه ای از مایع در دیواره تشکیل می دهد. در مقایسه با جریان گردابه ای، این الگوی جریان به نام جریان حلقوی 54(رسم شده در شکل 1-3(d) ) یک شرایط جریانی پایدار با فرکانس های موجی روی سطح فاز مایع است. قطرات مایعی کمی ممکن است وارد دانه گاز شود.
برای کسر خالی گاز بالا، نیروی بین سطحی قوی نازک بودن فیلم مایع را سبب می شود و پایداری ساختار جریان را از بین می برد که منجر می شود که فاز مایع بیشتری به شکل قطرات وارد فاز پیوسته گاز شود. در این الگوی جریانی غباری(مه آلود )55، که در شکل 1-3(e) رسم شده است، دیدن قطره کوچک یا غبار بدون ابزار خاص مثل عدسی یا چراغ دشوار است.
بعد از جمع آوری اطلاعات خواص سیال و مشاهده الگوی جریانی در یک نمای روشن در بخش تست، مرحله بعدی تحقیق معمولا راهی برای انتقال مرزها بین رژیم ها در یک نمودار دو بعدی با استفاده از اطلاعات جریانی به دست آمده در آزمایشات است. بسیاری از نقشه های رژیم جریانی در این روش ارائه شده است. میشیما و ایشی (1984) تئوری معیار رژیم جریانی را برای جریان گاز – مایع رو به بالا در لوله عمودی توسعه داده و نقشه رژیم جریانی را با استفاده از پارامتر هندسی مستقیم کسر خالی ارائه کردند. نقشه رژیم جریانی گسترده میشیما و ایشی (1984) در لوله عمودی در شکل 2-3 نشان داده شده است.

شکل 2-3. نقشه رژیم جریان برای جریان دو فازی هوا-آب در لوله عمودی ارائه شده توسط میشما و ایشی(1984)
3-1-2) الگوی جریانی و نقشه رژیم در جریان لوله افقی
الگوهای جریانی دو فازی در پیکربندی افقی پیچیده تر
از جریانهای عمودی است چون نیروی گرانشی / شناوری نسبت به جهت اصلی ، جریان عمودی است که باعث می شود که فاز گاز / مایع به صورت غالب بالا / پایین لوله را اشغال کند یا حتی در برخی الگوهای جریان افقی لایه ای شود. شکل 3-3 بیانگر الگوهای جریان در لوله افقی است.

شکل 3-3. الگوهای جریان دوفازی ها- آب در لوله افقی
همانطور که در شکل 3-3(a) نشان داده شده است، جریان حبابی در لوله افقی همان الگوی جریان لوله عمودی را دارد اما حباب ها به دلیل شناوری بیشتر تمایل دارند که به نیمه بالایی لوله مهاجرت کنند. این شرایط جریانی معمولا در سرعت بالای مایع رخ می دهد که در آن آشفتگی قوی می تواند سبب مقابله با پیوستن حباب شود که در آن یا یکدیگر در همسایگی دیواره بالایی لوله فشرده می شوند.
با افزایش دبی جریان گاز و کاهش سرعت مایع، حباب ها در دیواره بالایی لوله فشرده می شوند تا حباب های گاز طویل بزرگ تشکیل شود که تحت عنوان جریان توپی یا غالبی56نامیده شده و در شکل 3-3(b) رسم شده است.
جدایی کامل دو فاز زمانی رخ می دهد که فازهای مایع و گاز هر دو در شرایط سرعت پایین هستند. یک سطح افقی پایدار معمولا مشاهده می شود که الگوی جریان لایه ای57نامیده می شود و در شکل 3-3(c) نشان داده شده است.
با افزایش سرعت گاز در جریان لایه ای، نیروی برشی بین سطحی ناشی از سرعت نسبی بالا سبب تشکیل لایه جزئی فاز مایع در فاز گاز می شود تا موج هایی را در بین سطح تشکیل دهد. پدیده موج ها قابل توجه است، با این حال، قله آنها بالای لوله را لمس نمی کند، همانطور که در شکل 3-3(d) نشان داده شده است. این ساختار جریانی، جریان موجی 58نامیده می شود.
زمانی که این موج های بین سطحی به حد کافی بزرگ شوند که بالای لوله را خیس کنند، شرایط جریانی گلوله ای رخ می دهد. همانطور که در شکل 3-3(e) نشان داده شده است، دامنه بزرگ موج ها به طور پیوسته ، بالای دیواره را لمس می کند که فیلم مایع را زیر فاز گاز ترک می کند و فاز پیوسته گاز توسط این فیلم مایع جدا شده و به حباب های طویل شکسته می شود. قطر این حباب ها مشابه قطر لوله است.
با افزایش بیشتر دبی جریان گاز، فیلم مایع پیوسته حلقوی اطراف هسته خارجی لوله تشکیل می شود که جریان حلقوی 59نامیده می شود. جریان حلقوی در لوله افقی مشابه جریان عمودی است با این حال، ضخامت فیلم مایع اطراف محیط افقی لوله برابر ضخامت آن در انتهای لوله نیست، همانطور که در شکل 3-3(f) نشان داده شده است.
با افزایش بیشتر سرعت گاز، قطرات کوچک ممکن است از فیلم مایع در همسایگی دیواره به دلیل نیروی برشی جدا شده و وارد فاز پیوسته گاز در لوله شود (شکل 3-3(g)).
زمانی که رژیم های جریانی براساس داده های تجربی مشخص شد، انتخاب محور باید دقیق انجام شود. بدون پشتیبانی پایه تئوری، این روش قرارگیری داده های تجربی روی نمودار وابستگی شدید به داده های خاص دارد که برای نقشه آماده شده اند. پس، تئوری های مکانیزم های انتقال در جریان دو فازی گاز – مایع در لوله افقی برای توسعه لازم است. براساس مکانیزم های واقعی فیزیکی انتقال بین رژیم های جریانی مختلف، تایتل و دوکر(1976) پیش بینی تحلیل معیار انتقال را از رژیم جریانی به خطوط رسم شده انتقالی در نقشه دو بعدی ارائه کرده اند که در شکل 4-3 رسم شده است. جزئیات بیشتر درتحقیقات تایتل و دوکر (1976) یافت می شود.

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه حقوق رایگان با موضوعقوانین موضوعه

شکل 4-3. نقشه رژیم جریانی دو فازی هوا-آب در لوله افقی ارائه شده توسط تایتل و دوکلر(1976).
3-2) مشخصات جریان حبابی همدما در ستون حباب
در مقایسه با سایر رژیم های جریانی ذکر شده در بالا، جریان حبابی می تواند مساحت بین سطحی بیشتری ارائه کند و کاربردهای صنعتی مختلفی دارد. در مهندسی هسته ای، انواع زیادی از تجهیزات در شرایط جریانی حبابی کار می کنند چون مساحت بین سطحی بزرگ ، قابلیت بهبود انتقال حرارت و جرم بین دو فاز را فراهم می کند. نمونه دیگر کاربرد جریان حبابی ، در سلول شناور فرآیند معدنی برای جدا کردن ذرات معدنی از دوغاب است. در سلول شناور، ذرات معدنی مفید به سطح حباب های تزریق شده در انتهای مخزن می پیوندد و در سطح مخزن با حباب ها تحت تاثیر نیروی شناوری حباب بالا می رود که از ذرات غیر مفید جدا می شود و در انتهای مخزن رها می شود. پس، سطح بین سطحی بین دو فاز متناسب با بازده فرآیند معدنی است. برای درک اصول پایه ای جریان حبابی، هندسه ساده ستون حبابی احتمالا برای بررسی اولیه لازم است.
در جریان حبابی همدما، هیچ انتقال حرارتی از بیرون لوله به داخل جریان وجود ندارد و هیچ حباب بخاری در فاز مایع تولید نمی شود، پس، مشخصات جریان دو فازی گاز – مایع بستگی به رفتارهای مکانیکی حباب مثل پیوستگی و شکستن حباب در ترکیب سرعت های مختلف گاز و مایع دارد. پدیده فیزیکی پیوستن حباب و شکستن در انتقال رژیم حبابی به گلوله ای در یک ستون ساده حبابی در شکل 5-3 نشان داده شده است. شرایط جریان حبابی به گلوله ای، یک شرایط جریانی غالب پیوسته است. در شرایط جریانی رو به بالا، حباب های کوچک(زیر 5/5 میلی متر برای جریانهای هوا- آب در ?25?^° سلسیوس) و فاز مایع در انتهای ستون مایع با یک پاشنده تزریق می شود. در نتیجه تاثیرات نیروی مثبت برآ ایجاد شده با گرادیان سرعت و گرداب های محلی، حباب های کوچک تمایل به مهاجرت به سمت بالای دیواره لوله دارد که سبب کسر خالی بالا در همسایگی دیواره می شود. با افزایش دبی جریان گاز، تعداد حباب ها در فضای محدود دیواره بالا رفته و حباب ها به یکدیگر فشرده می شوند که در آن این احتمال وجود دارد که حب
اب ها به هم بپیوندند تا حباب های بزرگ تشکیل دهند. حباب های بزرگ(بالای 5/5 میلی متر) با نیروی منفی بالا برنده فشار داده می شوند که به مرکز لوله مهاجرت می کنند تا حباب های تیلور بزرگ تشکیل دهند. شایان ذکر است که پیوستن و شکستن حباب ها همزمان رخ می دهد، با این حال، تاثیرات پیوستگی حباب در شرایط جریانی خاص غالب است. انتقال جریان از حبابی به رژیم گلوله ای نمونه معمولی است. رفتارهای مکانیکی جریان حبابی در شرایط جریانی شکستن غالبی 60است که در فصل 7 جزئیات آن آمده است.

شکل 5-3. مشخصات جریان حبابی در جریان حبابی همدما

3-3) مدلسازی PBM برای جریان حبابی همدما
در کل، دو روش برای توصیف مشخصات جریان سیال دو فازی استفاده می شود:
روش لاگرانژین61.
روش اویلرین62.
با استفاده از روش لاگرانژین، یک حباب انتخاب شده و حرکت آن با زمان پیگیری می شود. هدف روش لاگرانژین، ردیابی حرکت این شی منفرد و خط مسیر آن است. به جای تمرکز روی ردیابی حباب منفرد، روش اویلرین استفاده می شود تا اطلاعات کلی درباره توزیع فاز پراکنده با بررسی عملکرد متوسط کل گروه حباب ها به دست آید.
چون اقدامات پیوستن و شکستن بین حباب ها معمولا رخ می دهد، تقریبا ردیابی خط مسیر ذره منفرد به دلیل ایجاد یا نابودی ذره غیرممکن است. از سوی دیگر، بازده کاربرد صنعتی بستگی به غلظت های بین سطحی متوسط بین دو فاز به جای عملکرد حباب منفرد دارد. پس، یک مفهوم گسترده از روش اویلرین تحت عنوان PBM در مطالعات دانشگاهی و صنعتی مطالعه می شود.
مفهوم PBM در هر سیستم برای ردیابی تعداد تغییرات مواردی است که حضور یا رخداد آنها بیانگر عملکرد کلی سیستم تحت بررسی است(رامکریشنا 2000). بسته به سازگاری کاربردها، متغیرهای رد یابی شده ممکن است به جای اعدادی مثل مساحت بین سطحی، حجم یا جرم، به سایر اندازه گیری های بزرگ تغییر کند. و موارد می تواند ذرات جامد، قطرات مایع ، حباب ها با حتی وقایع خود به خودی باشد(چانگ و همکاران 2009). از نظر ریاضی، متغیری که یک شی ء را توصیف می کند، باید در محورهای داخلی و خارجی بیان شود. مختصات خارجی برای قرارگیری موقعیت فیزیکی شی ء استفاده می شود که با نفوذ و همرفت جریان بیان می شود در حالی که مختصات داخلی به عنوان خواص ضروری شی ء مثل عدد، اندازه، مساحت سطح، سرعت و غیره نامیده می شود(رامکریشنا و ماهونی 2002). نمونه ساده مختصات داخلی و خارجی شامل PBM برای جریان حبابی گاز – مایع در شکل 6-3 نشان داده شده است. به طور معمول ، مختصات داخلی و خارجی با حالت فضای محدود ابعادی و کل تعداد اشیا در فضای حالت بیان می شود(اگرچه تعداد بسته به دامنه انتخابی متغیر است) اگر فقط حرکت فیزیکی اشیاء موجود باشد. با این حال، در فرآیندهایی مثل تشکیل هسته ذرات ، ادغام، پیوستن و شکستن حباب ها و غیره، تعداد در چنین فضای حالت هایی ممکن است به دلیل فرآیندهای تولید که حباب های جدیدی ایجاد می کنند و فرایندهای ویرانی که حباب های موجود را نابود می کند، تغییر کند. مدل PBM برای جایگزینی اشیاء با در نظر گرفتن حرکت آنها در فضای حالت و فرایندهای تولد و مرگ توسعه داده شده است(رامکریشنا و موهنی 2002).
مدلهای PBM با توجه به کاربردهای آن در زمنیه های خاص که توسط چانگ و همکاران(2009) گزارش شده است، تاریخچه طولانی دارد. مفهوم اصلی PBM


دیدگاهتان را بنویسید