توضیحات
پروژه شبیه سازی انتقال حرارت جابجایی(همرفت) مارانگونی-بنارد(Marangoni-Benard) در نرم افزار انسیس فلوئنتANSYS FLUENT
پدیده مارانگونی(Marangoni Convection)
از جمله مکانیسم های موثر در جریان سیال، پدیده مارانگونی می باشد که در مهندسی نفت بیش تر در قالب نیروهای موئینه بررسی شده است. گرادیان تنش میان رویه روی یک سطح تماس سیال-سیال، جریانات همرفت قوی را ایجاد می کند، که سیال از تنش میان رویه کم به سمت تنش میان رویه زیاد می رود. این اثر که ممکن است به خاطر انتقال گرما، جرم و یا بار الکتریکی به وجود بیاید، می تواند باعث چند برابر شدن انتقال جرم شود. در حالتی که که مارانگونی به خاطر اختلاف در غلظت ماده حل شونده ایجاد شود، اصطلاحا مارانگونی غلظتی نامیده می شود. گرادیان غلظت در مایعات می تواند نتیجه مستقیم انتقال جرم بین دو فاز باشد و یا نتیجه غیرمستقیم همرفت های ناشی از گرانش و یا سایر همرفت ها، انتقال گرما و یا در حالت کلی گرادیان دمایی باشد.
در صورتیکه اختلاف دما دلیل به وجود آمدن مارانگونی باشد، اثر را اصطلاحا مارانگونی حرارتی یا بنارد مارانگونی می نامند. در حالت کلی گرادیان تنش میان رویه نسبت به دما منفی است(۰ > dσ/dT ). یکی از دلایل این امر این است که در فاز گاز گرمتر تعداد بیشتری از مولکول های مایع وجود دارد. درنتیجه تنش میان رویه بین گاز گرم و سیال، کمتر از گاز سرد و سیال است. افزایش دما انرژی جنبشی را به شدت افزایش داده و با افزایش فعالیتهای حرارتی مولکولی، نیروهای پیوستگی کاهش می یابد. بنابراین در یک مایع با افزایش دما مولکول های که روی سطح قرار دارند، با نیروی جاذبه کمتری به داخل مایع کشیده می شوند و درنتیجه تنش میان رویه کاهش می یابد. اگر افزایش دما را ادامه دهیم، هنگامی که دما به نقطه سه گانه مایع می رسد، نیروی جاذبه دقیقا با انرژی جنبشی برابری می کند؛ یعنی به مولکول های سطح مایع هیچ نیروی جاذبه ای خالصی برای کشیدن آنها به داخل مایع وارد نمی شود و این بدین معنا است که سطح مشخصی بین مایع و بخار وجود ندارد و تنش میان رویه صفر شده است، که همان تعریف نقطه سه گانه است.
پدیده بنارد-مارانگونی:
1-جریان همرفتی رایلی بنارد: ناشی از نیروهای شناوری است
2-جریان همرفتی رایلی-بنارد-مارانگونی: ناشی از هر دو عامل نیروهای شناوری و تغییرات کشش سطحی است.
3-جریان همرفتی بنارد- مارانگونی: جزئی از جریان های دسته دوم شناخته می شود که در آن نیروهای شناوری قابل صرف نظرکردن باشند.
همرفت مارانگونی در مقایسه با همرفت رایلی(Rayleigh Convection):
جریان همرفتی رایلی، می تواند همزمان با همرفت مارانگونی ایجاد شود. عامل اصلی به وجود آمدن همرفت رایلی نیروی گرانش است، در حالی که عامل ایجاد جریان همرفتی مارانگونی تغییرات کشش سطحی است. معمولا، اثر رایلی در جریان سیالات با ضخامت بیشتر از یک سانتیمتر، همرفت غالب است و اثر مارانگونی معمولا زمانی غالب می شود که اندازه طول مشخصه کوچکتر از یک میلیمتر باشد.
عدد مارانگونی:
شدت جریان مارانگونی با عدد مارانگونی مشخص می شود. این عدد برای آنالیز اثر اختلاف دما به صورت زیر تعریف می شود:
M=σ(T1-T2)Lc/μk
در این رابطه M بیانگر عدد مارانگونی, σ گرادیان تنش سطحی نسبت به دما (N/m/K) , Lc ضخامت لایه سیال(m), ΔT اختلاف دمای گرم و سرد در سطح تماس سیالات(K), μ گرانروی دینامیکی سیال (Pa.s) و α ضریب نفوذ حرارتی(m2/s) می باشد. برای آنالیز اثرات مارانگونی این عدد بسیار مهم است. هرچه این عدد بالاتر باشد ناپایداری حرارتی بیشتر بوده و مارانگونی ناشی از دما بیشتر اتفاق می افتد.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی انتقال حرارت جابجایی(همرفت) مارانگونی-بنارد(Marangoni-Benard) در نرم افزار انسیس فلوئنتANSYS FLUENT انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) رسم شده است.
مش بندی و شبکه:
مش بندی و شبکه در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS 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) استفاده شده است.
مدل لزجت:
مدل لزجت استفاده شده در این پروژه، مدل لزجت آرام (Laminar) می باشد.
وابستگی سرعت-فشار:
از الگوریتم سیمپل(SIMPLE) برای حل معادلات وابستگی سرعت-فشار استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
