توضیحات
پروژه شبیه سازی اتمایزر هوا وزشی دوسیالی( airblast atomizer) و اتمیزاسیون متانول در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT)
اتمیزاسیون:
اتمیزاسیون به فرایندی گفته می شود که در آن توده سیال به قطرات ریز شکسته می شود و به طور کلی به وسیله ای که فرایند اتمیزاسیون را انجام دهد، اتمایزر گفته می شود. بعضی از کاربردهای عمومی این فرایند در زندگی روزمره عبارتند از: اسپری عطرها، آبپاش باغ، اسپری مو و اسپری داروها و به صورت عمومی تر ریختن آب از یک پارچ در صورتی که ارتفاع مناسبی داشته باشد می تواند یک فرایند اتمیزاسیون باشد. اسپری به مجموعه ای از قطرات متحرک ریزی گفته می شود که معمولا به عنوان نتیجه فرایند اتمیزاسیون می باشند. این قطرات در یک شرایط کنترل شده حرکت می کنند. اسپری به عنوان یک فرایند بسیار پرکاربرد شناخته می شود. نازل ها و اتمایزرها وسیله هایی هستند که برای اسپری طراحی می شوند و هر کدام کاربردهای خاصی دارند. یکی از مهم ترین و وسیع ترین کاربرد سیستم های چند فازی، اتمیزاسیون است. اتمیزاسیون و اسپری کردن مایع ها (مثلا مایع های خالص، محلول ها، سوسپانسیون ها و امولسیون ها) واحد عملیاتی از یک فرایند سنتی مهندسی است. در طول اتمیزاسیون توده سیال (فاز مایع پیوسته به یک سیستم اسپری (فاز پراکنده/قطره ها) تبدیل می شود. فرایند از هم پاشی مایع به خودی خود یا از طریق انرژی ذاتی (مانند پتانسیل) یا یک انرژی بیرونی (مانند انرژی جنبشی) صورت می گیرد. مایع به وسیله ی انرژی جنبشی موجود در خودش (انرژی که به سبب تقابل ورق یا جت مایع خیلی سریع، با یک گاز به وجود آمده است) یا انرژی مکانیکی از بیرون فرستاده شده مانند یک وسیله دوار، اتمیزه می شود. فرایند اتمیزاسیون مایع کاربرد زیادی در شاخه های صنعتی مانند مکانیک، هوافضا، شیمی مهندسی عمران، فناوری علم مواد، متالوژی، صنایع غذایی، داروسازی کشاورزی، حفاظت از محیط زیست، پزشکی و غیره دارد.
اتمیزاسیون به صورت فروپاشی حجمی مایع به قطره های کوچک به کمک اتمایزر تعریف می شود. طبقه بندی فرآیند اتمیزاسیون معمولا باتوجه به انرژی موردنیاز برای تولید بی ثباتی در یک مایع است. اصول حاکم بر انواع اتمیزاسیون مورداستفاده برای کاربردهای خاص وابسته به پارامترهای عملیاتی است که بایستی مورد توجه قرار گیرد. خواص مایع مورداستفاده (ویسکوزیته، کشش سطحی و چگالی) در اتمیزاسیون نقش مهمی دارد. این پارامترها به طور معمول از لحاظ بزرگی مقیاس متفاوت می باشند، همچنین خواص سیال در طول فرایند ثابت نیست. مایعات در موضوع ویسکوزیته ممکن است رفتار غیر نیوتنی از خود نشان دهند؛ بنابراین نوع اتمیزاسیون و به دنبال آن نوع اتمایزر مورداستفاده برای کاربردهای خاص به طور کلی به موارد زیر وابسته است.
1-خواص مایع مورداستفاده
2-قابلیت عبور دهی مایع موردنظر.
3-دستیابی به ویژگی های موردنظر در اسپری (اندازه قطره های اسپری، زاویه مخروط اسپری) در انتخاب نوع اتمیزاسیون و به دنبال آن نوع اتمایزر، این موارد باید مورد توجه قرار گیرد.
انواع اتمایزر:
دسته بندی اتمایزرها می تواند براساس معیارهای مختلفی صورت گیرد، اما یکی از معیارهای دسته بندی اتمایزرها، نوع انرژی مورد استفاده در فرایند اتمیزاسیون می باشد. منبع انرژی می تواند بسیار متفاوت باشد. در اتمایزرهای فشاری ساده و یا چرخشی، فشار به انرژی جنبشی تبدیل میشود و این تبدیل انرژی باعث فرایند أتمیزاسیون می شود. اتمایزرهای فشاری ساده دارای تخلیه ساده (به صورت جت) می باشند و اتمایزرهای چرخشی دارای تخلیه چرخشی می باشند و در هر دو، قانون تبدیل انرژی فشاری به جنبشی برقرار است. اتمایزرهای فشاری خود به سه دسته قابل تقسیم بندی هستند: اتمایزرهای جت، اتمایزرهای چرخشی و اتمایزرهای جت – چرخشی.
اتمایزر دو سیالی:
اتمایزرهای دو سیالی معمولا از انرژی جنبشی یک گاز تحت فشار استفاده می کنند که این گاز تحت فشار، جهت گسسته سازی مایع با سطح آن تقابل دارد. اتمایزرهای دو سیالی معمولا یک مخروط اسپری استوانه ای کامل، با قطر قطره های نسبتا کوچک در دبی های جرمی بالا (مایع) تولید می کنند همچنین این نوع اتمایزرها می توانند مایع با گرانروی بالا را به طور مؤثری اتمیزه کنند.
اتمایزر دو سیالی هوا-کمکی(اختلاط خارجی):
در اتمایزرهای اختلاط خارجی گاز در خارج از اتمایزر با مایع تقابل دارد. در این نوع نازل ها، مایع در معرض یک جریان هوا یا بخار با سرعت خیلی بالا است. اغلب، مایع از طریق چاک های مماسی به منظور تشکیل یک الگوی تخلیه مخروطی عرضه می شود. با اینحال، حداکثر زاویه اسپری تقریبا به ۶۰ درجه محدود است. این دستگاه تمایل دارد که انرژی ناکارآمد باشد، اما می تواند یک اسپری باکیفیت تر نسبت به نازل های فشاری ساده تولید کند. مزیت این نوع نازل نسبت به نوع اختلاط داخلی این است که از فشارهای برگشتی اجتناب می شود زیرا ارتباط داخلی بین گاز و مایع وجود ندارد. با این حال، نوع اختلاط خارجی کارایی کمتری نسبت به مفهوم اختلاط داخلی دارد و برای دستیابی به همان میزان اتمیزاسیون، نرخ خیلی بالاتری از جریان گاز موردنیاز است.
اتمایزر دو سیالی هوا- وزشی(اختلاط خارجی):
عملکرد این دستگاه ها به نحوی بسیار شبیه به نازل های هوا-کمکی است. تفاوت اصلی بین اتمایزرهای هوا کمکی و هوا وزشی این است که اتمایزرهای هوا-کمکی نیازمند مقدار کمی جریان هوا یا بخار با سرعت خیلی زیاد(معمولا سرعت صوت) هستند، اما اتمایزرهای هوا- ورزشی مقدار زیادی جریان هوا با سرعت خیلی پایین تر (کمتر از 100 متربرثانیه) را به کار می گیرند؛ بنابراین، نازل های هوا وزشی برای اتمیزه کردن سوخت مایع در سیستم های جریان پیوسته ی احتراق بسیار مناسب است، مانند توربین های گازی که در آن سرعت هوای موردنیاز برای این نوع اتمیزاسیون معمولا به راحتی در دسترس است. عمده این نوع از اتمایزرها به این صورت است که ابتدا مایع به ورقه مخروطی نازک تبدیل می شود و سپس هر دو طرف ورق در معرض جریان با سرعت بالا قرار می گیرد. عملکرد اتمایزر هوا- وزشی، نوع پیش فیلم بهتر از نوع دیگر آن (جت ساده) است.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی اتمایزر هوا وزشی(airblast atomizer) و اتمیزاسیون و اسپری کردن متانول در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار سالیدورک رسم شده است.
مش بندی و شبکه:
مش بندی و شبکه در نرم افزار فلوئنت(Fluent Meshing) تولید شده است.
شبیه سازی و حل:
شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت انجام شده است.
به منظور حل مسئله از حلگر فشار مبنا (pressure based) در شرایط پایا (steady-state) استفاده شده است.
مدل لزجت:
مدل لزجت استفاده شده در این پروژه، مدل آشفتگی دو معادله ای k-w می باشد.
وابستگی سرعت-فشار:
از الگوریتم حل کوپل(coupled) برای حل معادلات وابستگی سرعت-فشار استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
