منابع پایان نامه با موضوع جريان، مايع، جرياني، رژيم

محققان

فصل 3 مروري بر تحقيقات والگو
فصل 3 با توصيف نقشه جريان دو فازي گاز – مايع و توزيع رژيم آنها در نقشه دو بعدي به نام الگوهاي جريان و نقشه رژيم در لوله هاي افقي و عمودي شروع مي شود. اطلاعات خاص درباره مشخصات جريان حبابي و پديده انتقال از جريان حبابي به جريان اسلاگ (لخته اي ) ، بيشتر ارائه شده است. روش عددي تحت عنوان مدل موازنه جمعيتي با بسياري از سناريوها شناخته شده است که توانايي شبيه سازي مشخصات جريان حبابي پيچيده شامل تغيير شکل حباب، ادغام و شکست را دارد. اصل مدل موازنه جمعيتي و سابقه آن بيشتر توضيح داده شده است.
3-1) الگوهاي جريان دو فازي گاز – مايع و نقشه رژيم در لوله هاي افقي و عمودي
مورفولوژي فازهاي گاز و مايع به خاطر اينکه مکانيزم هاي اساسي انتقال حرارت به شدت از يک توزيع به ديگري تغيير مي کند ، به عنوان اطلاعات ضروري وپايه اي شناخته شده است،. در مرحله اول تحقيق جريان دو فازي گاز- مايع، اهميت ساختار جريان به صورت گسترده شناخته شده است؛ پس، تحقيق روي شناسايي و توصيف مخلوط جريان تاکيد دارد(يانگ و همکاران 2004). با فراواني تجربيات بصري جريان دو فازي گاز – مايع ، ساختارهاي جريان در چندين دسته شناخته شده اند که تحت عنوان الگوهاي جريان ناميده مي شوند. زماني که تحقيق اضافي منجر به يک انتقال از يک الگوي جريان به ديگري مي شود، نقشه رژيم الگوهاي جريان نيزبه عنوان دانش مهمي در نظر گرفته مي شود.
3-1-1) الگوهاي جريان و نقشه رژيم در جريان لوله عمودي
با مشاهدات تجربي بسياري در پيکربندي هاي عمودي جريان دو فازي گاز – مايع، برخي ساختارهاي مشاهده شده معمول جريان شناسايي و دسته بندي شده است که در شکل 1-3 نشان داده شده است.

شکل 1-3. الگوهاي جريان جريان دو فازي هوا-آب در لوله عمودي
همانطور که در شکل 1-3(a) نشان داده شده است، زماني که کسر خالي گاز کم ولي سرعت هاي نسبي بين دو فاز بالاست، آشفتگي شديد ايجاد شده توسط سرعت هاي نسبي بالا مي تواند به آساني سرعت کم گاز را بشکند که باعث مي شود که فاز گاز به شکل حباب هاي تقريبا گسسته و کروي در فاز پيوسته مايع پراکنده شود. حباب ها ممکن است اندازه هاي مختلفي داشته باشند، با اين حال، بسيار کوچکتر از قطر لوله هستند. اين ساختار جريان، جريان حبابي ناميده مي شود.
با افزايش کسر خالي گاز، حباب ها به يکديگر در محل هاي فضايي محدود شده فشرده مي شوند که تمايل دارند که حباب هاي کوچک با هم برخورد کرده و بشکنند تا حباب هاي بزرگتر افزايش يابند. در شرايط جريان اسلاگ بيان شده در شکل 1-3(b)، اين حباب هاي بزرگتر، که حباب هاي تيلور ناميده مي شوند، تقريبا در ابعاد به قطر لوله مشابه اند و شکل گلوله دارند. مشاهده مي شود که گلوله هاي مايع ، حباب هاي تيلور را جدا مي کنند وممکن است شامل حباب هاي کوچک باشد. اين حباب هاي کوچک به آساني توسط حباب هاي تيلور به دليل تاثيرات ضعيف آن مکيده مي شود.
با افزايش پيوسته کسر خالي گاز، حباب هاي تيلور با يکديگر ترکيب مي شوند تا مايع را از مرکز لوله خارج کنند تا فيلم مايع نزديک ديواره لوله تشکيل شود. با اين حال، فيلم مايع ساختار ناپايدار دارد و مسير نوساني دارد. جريان فاز مايع بسته به نتايج ، بين نيروي گرانشي و برشي که روي فيلم نازک مايع اعمال مي شوند، به سمت بالا يا پايين جريان دارند. نيروهاي گرانشي و برشي نسبتا برابر بوده و در جهات مختلف روي فيلم مايع اعمال مي شوند. اين الگوي جريان تحت عنوان جريان گردنده( کف آلود) 53ناميده مي شود که در شکل 1-3(c) رسم شده و يک رژيم مياني بين جريان اسلاگ و حلقوي است و ممکن نيست در شرايط جرياني با اندازه هاي مختلف لوله مشاهده شود.
زماني که نيروي غالب روي فيلم مايع از نيروي برشي است که حاصل افزايش نسبي سرعت ها بين دو فاز است، فاز گاز مرکز لوله را به عنوان فاز پيوسته اشغال مي کند در حالي که فيلم مايع نازک تر مي شود و حلقه اي از مايع در ديواره تشکيل مي دهد. در مقايسه با جريان گردابه اي، اين الگوي جريان به نام جريان حلقوي 54(رسم شده در شکل 1-3(d) ) يک شرايط جرياني پايدار با فرکانس هاي موجي روي سطح فاز مايع است. قطرات مايعي کمي ممکن است وارد دانه گاز شود.
براي کسر خالي گاز بالا، نيروي بين سطحي قوي نازک بودن فيلم مايع را سبب مي شود و پايداري ساختار جريان را از بين مي برد که منجر مي شود که فاز مايع بيشتري به شکل قطرات وارد فاز پيوسته گاز شود. در اين الگوي جرياني غباري(مه آلود )55، که در شکل 1-3(e) رسم شده است، ديدن قطره کوچک يا غبار بدون ابزار خاص مثل عدسي يا چراغ دشوار است.
بعد از جمع آوري اطلاعات خواص سيال و مشاهده الگوي جرياني در يک نماي روشن در بخش تست، مرحله بعدي تحقيق معمولا راهي براي انتقال مرزها بين رژيم ها در يک نمودار دو بعدي با استفاده از اطلاعات جرياني به دست آمده در آزمايشات است. بسياري از نقشه هاي رژيم جرياني در اين روش ارائه شده است. ميشيما و ايشي (1984) تئوري معيار رژيم جرياني را براي جريان گاز – مايع رو به بالا در لوله عمودي توسعه داده و نقشه رژيم جرياني را با استفاده از پارامتر هندسي مستقيم کسر خالي ارائه کردند. نقشه رژيم جرياني گسترده ميشيما و ايشي (1984) در لوله عمودي در شکل 2-3 نشان داده شده است.

شکل 2-3. نقشه رژيم جريان براي جريان دو فازي هوا-آب در لوله عمودي ارائه شده توسط ميشما و ايشي(1984)
3-1-2) الگوي جرياني و نقشه رژيم در جريان لوله افقي
الگوهاي جرياني دو فازي در پيکربندي افقي پيچيده تر
از جريانهاي عمودي است چون نيروي گرانشي / شناوري نسبت به جهت اصلي ، جريان عمودي است که باعث مي شود که فاز گاز / مايع به صورت غالب بالا / پايين لوله را اشغال کند يا حتي در برخي الگوهاي جريان افقي لايه اي شود. شکل 3-3 بيانگر الگوهاي جريان در لوله افقي است.

شکل 3-3. الگوهاي جريان دوفازي ها- آب در لوله افقي
همانطور که در شکل 3-3(a) نشان داده شده است، جريان حبابي در لوله افقي همان الگوي جريان لوله عمودي را دارد اما حباب ها به دليل شناوري بيشتر تمايل دارند که به نيمه بالايي لوله مهاجرت کنند. اين شرايط جرياني معمولا در سرعت بالاي مايع رخ مي دهد که در آن آشفتگي قوي مي تواند سبب مقابله با پيوستن حباب شود که در آن يا يکديگر در همسايگي ديواره بالايي لوله فشرده مي شوند.
با افزايش دبي جريان گاز و کاهش سرعت مايع، حباب ها در ديواره بالايي لوله فشرده مي شوند تا حباب هاي گاز طويل بزرگ تشکيل شود که تحت عنوان جريان توپي يا غالبي56ناميده شده و در شکل 3-3(b) رسم شده است.
جدايي کامل دو فاز زماني رخ مي دهد که فازهاي مايع و گاز هر دو در شرايط سرعت پايين هستند. يک سطح افقي پايدار معمولا مشاهده مي شود که الگوي جريان لايه اي57ناميده مي شود و در شکل 3-3(c) نشان داده شده است.
با افزايش سرعت گاز در جريان لايه اي، نيروي برشي بين سطحي ناشي از سرعت نسبي بالا سبب تشکيل لايه جزئي فاز مايع در فاز گاز مي شود تا موج هايي را در بين سطح تشکيل دهد. پديده موج ها قابل توجه است، با اين حال، قله آنها بالاي لوله را لمس نمي کند، همانطور که در شکل 3-3(d) نشان داده شده است. اين ساختار جرياني، جريان موجي 58ناميده مي شود.
زماني که اين موج هاي بين سطحي به حد کافي بزرگ شوند که بالاي لوله را خيس کنند، شرايط جرياني گلوله اي رخ مي دهد. همانطور که در شکل 3-3(e) نشان داده شده است، دامنه بزرگ موج ها به طور پيوسته ، بالاي ديواره را لمس مي کند که فيلم مايع را زير فاز گاز ترک مي کند و فاز پيوسته گاز توسط اين فيلم مايع جدا شده و به حباب هاي طويل شکسته مي شود. قطر اين حباب ها مشابه قطر لوله است.
با افزايش بيشتر دبي جريان گاز، فيلم مايع پيوسته حلقوي اطراف هسته خارجي لوله تشکيل مي شود که جريان حلقوي 59ناميده مي شود. جريان حلقوي در لوله افقي مشابه جريان عمودي است با اين حال، ضخامت فيلم مايع اطراف محيط افقي لوله برابر ضخامت آن در انتهاي لوله نيست، همانطور که در شکل 3-3(f) نشان داده شده است.
با افزايش بيشتر سرعت گاز، قطرات کوچک ممکن است از فيلم مايع در همسايگي ديواره به دليل نيروي برشي جدا شده و وارد فاز پيوسته گاز در لوله شود (شکل 3-3(g)).
زماني که رژيم هاي جرياني براساس داده هاي تجربي مشخص شد، انتخاب محور بايد دقيق انجام شود. بدون پشتيباني پايه تئوري، اين روش قرارگيري داده هاي تجربي روي نمودار وابستگي شديد به داده هاي خاص دارد که براي نقشه آماده شده اند. پس، تئوري هاي مکانيزم هاي انتقال در جريان دو فازي گاز – مايع در لوله افقي براي توسعه لازم است. براساس مکانيزم هاي واقعي فيزيکي انتقال بين رژيم هاي جرياني مختلف، تايتل و دوکر(1976) پيش بيني تحليل معيار انتقال را از رژيم جرياني به خطوط رسم شده انتقالي در نقشه دو بعدي ارائه کرده اند که در شکل 4-3 رسم شده است. جزئيات بيشتر درتحقيقات تايتل و دوکر (1976) يافت مي شود.

شکل 4-3. نقشه رژيم جرياني دو فازي هوا-آب در لوله افقي ارائه شده توسط تايتل و دوکلر(1976).
3-2) مشخصات جريان حبابي همدما در ستون حباب
در مقايسه با ساير رژيم هاي جرياني ذکر شده در بالا، جريان حبابي مي تواند مساحت بين سطحي بيشتري ارائه کند و کاربردهاي صنعتي مختلفي دارد. در مهندسي هسته اي، انواع زيادي از تجهيزات در شرايط جرياني حبابي کار مي کنند چون مساحت بين سطحي بزرگ ، قابليت بهبود انتقال حرارت و جرم بين دو فاز را فراهم مي کند. نمونه ديگر کاربرد جريان حبابي ، در سلول شناور فرآيند معدني براي جدا کردن ذرات معدني از دوغاب است. در سلول شناور، ذرات معدني مفيد به سطح حباب هاي تزريق شده در انتهاي مخزن مي پيوندد و در سطح مخزن با حباب ها تحت تاثير نيروي شناوري حباب بالا مي رود که از ذرات غير مفيد جدا مي شود و در انتهاي مخزن رها مي شود. پس، سطح بين سطحي بين دو فاز متناسب با بازده فرآيند معدني است. براي درک اصول پايه اي جريان حبابي، هندسه ساده ستون حبابي احتمالا براي بررسي اوليه لازم است.
در جريان حبابي همدما، هيچ انتقال حرارتي از بيرون لوله به داخل جريان وجود ندارد و هيچ حباب بخاري در فاز مايع توليد نمي شود، پس، مشخصات جريان دو فازي گاز – مايع بستگي به رفتارهاي مکانيکي حباب مثل پيوستگي و شکستن حباب در ترکيب سرعت هاي مختلف گاز و مايع دارد. پديده فيزيکي پيوستن حباب و شکستن در انتقال رژيم حبابي به گلوله اي در يک ستون ساده حبابي در شکل 5-3 نشان داده شده است. شرايط جريان حبابي به گلوله اي، يک شرايط جرياني غالب پيوسته است. در شرايط جرياني رو به بالا، حباب هاي کوچک(زير 5/5 ميلي متر براي جريانهاي هوا- آب در ?25?^° سلسيوس) و فاز مايع در انتهاي ستون مايع با يک پاشنده تزريق مي شود. در نتيجه تاثيرات نيروي مثبت برآ ايجاد شده با گراديان سرعت و گرداب هاي محلي، حباب هاي کوچک تمايل به مهاجرت به سمت بالاي ديواره لوله دارد که سبب کسر خالي بالا در همسايگي ديواره مي شود. با افزايش دبي جريان گاز، تعداد حباب ها در فضاي محدود ديواره بالا رفته و حباب ها به يکديگر فشرده مي شوند که در آن اين احتمال وجود دارد که حب
اب ها به هم بپيوندند تا حباب هاي بزرگ تشکيل دهند. حباب هاي بزرگ(بالاي 5/5 ميلي متر) با نيروي منفي بالا برنده فشار داده مي شوند که به مرکز لوله مهاجرت مي کنند تا حباب هاي تيلور بزرگ تشکيل دهند. شايان ذکر است که پيوستن و شکستن حباب ها همزمان رخ مي دهد، با اين حال، تاثيرات پيوستگي حباب در شرايط جرياني خاص غالب است. انتقال جريان از حبابي به رژيم گلوله اي نمونه معمولي است. رفتارهاي مکانيکي جريان حبابي در شرايط جرياني شکستن غالبي 60است که در فصل 7 جزئيات آن آمده است.

شکل 5-3. مشخصات جريان حبابي در جريان حبابي همدما

3-3) مدلسازي PBM براي جريان حبابي همدما
در کل، دو روش براي توصيف مشخصات جريان سيال دو فازي استفاده مي شود:
روش لاگرانژين61.
روش اويلرين62.
با استفاده از روش لاگرانژين، يک حباب انتخاب شده و حرکت آن با زمان پيگيري مي شود. هدف روش لاگرانژين، رديابي حرکت اين شي منفرد و خط مسير آن است. به جاي تمرکز روي رديابي حباب منفرد، روش اويلرين استفاده مي شود تا اطلاعات کلي درباره توزيع فاز پراکنده با بررسي عملکرد متوسط کل گروه حباب ها به دست آيد.
چون اقدامات پيوستن و شکستن بين حباب ها معمولا رخ مي دهد، تقريبا رديابي خط مسير ذره منفرد به دليل ايجاد يا نابودي ذره غيرممکن است. از سوي ديگر، بازده کاربرد صنعتي بستگي به غلظت هاي بين سطحي متوسط بين دو فاز به جاي عملکرد حباب منفرد دارد. پس، يک مفهوم گسترده از روش اويلرين تحت عنوان PBM در مطالعات دانشگاهي و صنعتي مطالعه مي شود.
مفهوم PBM در هر سيستم براي رديابي تعداد تغييرات مواردي است که حضور يا رخداد آنها بيانگر عملکرد کلي سيستم تحت بررسي است(رامکريشنا 2000). بسته به سازگاري کاربردها، متغيرهاي رد يابي شده ممکن است به جاي اعدادي مثل مساحت بين سطحي، حجم يا جرم، به ساير اندازه گيري هاي بزرگ تغيير کند. و موارد مي تواند ذرات جامد، قطرات مايع ، حباب ها با حتي وقايع خود به خودي باشد(چانگ و همکاران 2009). از نظر رياضي، متغيري که يک شي ء را توصيف مي کند، بايد در محورهاي داخلي و خارجي بيان شود. مختصات خارجي براي قرارگيري موقعيت فيزيکي شي ء استفاده مي شود که با نفوذ و همرفت جريان بيان مي شود در حالي که مختصات داخلي به عنوان خواص ضروري شي ء مثل عدد، اندازه، مساحت سطح، سرعت و غيره ناميده مي شود(رامکريشنا و ماهوني 2002). نمونه ساده مختصات داخلي و خارجي شامل PBM براي جريان حبابي گاز – مايع در شکل 6-3 نشان داده شده است. به طور معمول ، مختصات داخلي و خارجي با حالت فضاي محدود ابعادي و کل تعداد اشيا در فضاي حالت بيان مي شود(اگرچه تعداد بسته به دامنه انتخابي متغير است) اگر فقط حرکت فيزيکي اشياء موجود باشد. با اين حال، در فرآيندهايي مثل تشکيل هسته ذرات ، ادغام، پيوستن و شکستن حباب ها و غيره، تعداد در چنين فضاي حالت هايي ممکن است به دليل فرآيندهاي توليد که حباب هاي جديدي ايجاد مي کنند و فرايندهاي ويراني که حباب هاي موجود را نابود مي کند، تغيير کند. مدل PBM براي جايگزيني اشياء با در نظر گرفتن حرکت آنها در فضاي حالت و فرايندهاي تولد و مرگ توسعه داده شده است(رامکريشنا و موهني 2002).
مدلهاي PBM با توجه به کاربردهاي آن در زمنيه هاي خاص که توسط چانگ و همکاران(2009) گزارش شده است، تاريخچه طولاني دارد. مفهوم اصلي PBM

این نوشته در پایان نامه ها و مقالات ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید