توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان دوفازی در لوله شیبدار در نرم افزار انسیس فلوئنت
Simulation of two phase flow in inclined pipe in ANSYS FLUENT
مواد موجود در طبیعت به طور کلی به سه فاز جامد، مایع و گاز تقسیم می شوند که هر فاز خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مربوط به خود را دارد. در جریان های چند فازی، فازهای مختلفی از مواد در کنار هم حضور پیدا می کنند و تشکیل یک فصل مشترک می دهند که با توجه به شکل این فصل مشترک رژیم های مختلفی در جریان های چند فازی ایجاد می شود. ساده ترین نوع جریان چند فازی، یک جریان متشکل از دو فاز می باشد که به جریان های دوفازی معروف می باشند. یک جریان دوفازی می تواند متشکل از دو فاز گاز مایع، گاز جامد و یا مایع جامد باشد. یکی از رایج ترین جریان های دوفازی، جریان گاز مایع می باشد که کاربرد وسیعی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی دارد. جریان نفت و گاز طبیعی در لوله های انتقال جریان از سر چاه ها، نمونه بارز جریان دوفازی گاز مایع است. به جز صنایع نفت و گاز، جریان های دوفازی در صنایع هسته ای، نیروگاه های تولید برق و صنایع دیگر کاربرد فراوان دارد. به عنوان مثال در تبخیر کننده های نیروگاههای هسته ای پدیده تغییر فاز و ایجاد جریان دوفازی ممکن است سبب تغییر فشار زیاد در لوله شود که این تغيير اختلاف فشار ناگهانی، برای سیستم مطلوب نمی باشد. مهم ترین علامت مشخصه جریان های دوفازی، وجود یک فصل مشترک بین فازهای گاز و مایع می باشد. این فصل مشترک دارای اشکال مختلفی می باشد. تقريبا امکان پیدایش یک دامنه نامحدود از فصل مشترک مختلف بین دو فاز وجود دارد؛ اما عموما تأثير کشش سطحی بین دو فاز، منجر به پیدایش فصل های مشترک مختلف منحنی شکل شده که نهایتا تمامی آنها تبدیل به اشکال کروی نظير قطره ها و حباب ها می شوند.
جریان های دوفازی:
از اوایل دهه ۳۰ پیشگامانی چون لاکهارت و مارتینی به کار مطالعه جریان های دوفازی پرداختند. اولین آزمایش ها بوسیله آب و هوا درون لوله هایی با قطر کوچک انجام گرفت. براساس نتایج حاصل از این تحقیقات، روابط تجربی توسط برخی محققین ارائه گردید. بعدها چون در عمل و در خطوط لوله انتقال، اشکالاتی بروز کرد و مشخص شد که در پاره ای موارد درست و در پارهای موارد دچار کاستی هایی است، آزمایش های دیگری با سیالات دیگر و درون لوله هایی با قطرهای متداول در صنعت، توسط محققین بسیاری انجام گرفت و روابط تجربی جدیدی ارائه گردید. تاکنون نمودارهای مختلفی برای تشخیص رژیم جریان و روابط متعددی برای تخمین افت فشار و مقدار مایع تجمع یافته ارائه شده است. جریان های دوفازی به سه دسته تقسیم می شوند: جریان های دوفازی افقی، قائم و شیبدار.
برخی از پارامترهای موثر در ایجاد رژیم جریان عبارتند از :
-دبی حجمی جریان هر فاز
-فشار
-شار حرارتی دیواره لوله
– جرم مخصوص و گرانروی هر فاز
– کشش سطحی
– شکل هندسی لوله
– ابعاد مشخصه لوله
– زاویه لوله نسبت به صفحه افقى
-جهت جریان(طرف بالا، پایین، همسو، غیر همسو).
برای طبقه بندی انواع رژیم های جریان دوفازی صورت گرفته است، تمامی این روش ها به صورت کیفی بوده و اغلب مطابق با نقطه نظرات شخصی محققین می باشد، بطوریکه تاکنون رژیم های جریان مختلفی تعریف گردیده و دامنه گسترده ای از اسامی برای این منظور مورد استفاده قرار گرفته اند.
الگوهای جریان در خطوط لوله افقی:
هفت نوع الگوی توزیع برای جریان های گاز مایع در خطوط لوله افقی وجود دارد. برای هر رژیم جریان، مقادير تجربی سرعت هر فاز برای مخلوطی از گازهایی با جرم ویژه نزدیک به جرم ویژه هوا و مایعاتی با گرانروی کمتر از cp ۱۰۰ داده شده است.
۱- جریان لایه ای(Stratified Flow)
در این نوع الگوی توزیع، فازهای مایع و گاز کاملاً از هم جدا بوده و فاز گاز که معمولا دارای سرعت بیشتری نسبت به فاز مایع می باشد، در قسمت فوقانی و مایع در ناحیه پایین درون خط لوله حرکت می کنند. در این جریان، تداخل بين دو فاز بندرت صورت گرفته و فصل مشترک دو فاز، نسبتا منظم و صاف می باشد. در اینحالت، سرعت ظاهری فاز مایع کمتر از 0.5 فوت بر ثانیه و سرعت ظاهری فاز گاز بین ۲ الی ۱۰ فوت بر ثانیه می باشد.
شکل جریان لایه ای.
۲- جریان موجی(Wavy Flow) :
در جریان لایه ای اگر سرعت گاز باز هم افزایش یابد، در فصل مشترک دو فاز گاز و مایع تنش هایی ایجاد خواهند شد که باعث پیدایش امواج در فصل مشترک می شوند. این امواج در امتداد جریان، حرکت میکنند. سرعت ظاهری مایع در این حالت کمتر از ۱ فوت بر ثانیه و سرعت ظاهری گاز حدود ۱۵ فوت بر ثانیه میباشد.
شکل جریان موجی.
۳- جریان حلقوی(Annular Flow):
در این نوع جریان، دو فاز گاز و مایع بصورت دو استوانه متداخل(مایع بر روی جداره لوله و گاز در مرکز لوله) درون لوله جاری خواهند شد. این نوع جریان وقتی شکل خواهد گرفت که سرعت ظاهری گاز بیشتر از ۲۰ فوت بر ثانیه باشد. بررسی دقیق این نوع الگوی جریان به جهت تعیین میزان خوردگی سایشی، افزایش بازدهی خط انتقال، پیش بینی مقدار مایع تجمع یافته، تعیین ضخامت فیلم مایع روی دیواره لوله، محاسبه افت فشار سیال جهت طراحی خطوط لوله انتقال و نیز تخمین مقدار قطرات مایع تجمع یافته توسط گاز، جهت طراحی تجهیزات انتهایی خطوط لوله از اهمیت خاصی برخوردار است.
شکل جریان حلقوی
۴- جریان توپی یا قالبی(Plug Flow):
وقتی نرخ جریان مایع افزایش می یابد موجها تشکیل می شوند که تمایل دارند لوله را مسدود کنند. در نرخهای پایین جریان گاز، جریان قالبی تشکیل می شود. این جریان از برخورد و بهم پیوستن حباب های بزرگ توپی شکل نزدیک به جداره بالایی لوله، تشکیل می شود.
شکل جریان قالبی
5-جریان لخته ای(Slug Flow):
در خطوط لوله افقی وقتی نرخ جریان مایع زیاد باشد، افزایش سرعت گاز منجر به افزایش دامنه ی موج – های سطحی در فصل مشترک گاز و مایع شده و باعث می شود که موج ها به جدارهی فوقانی لوله برخورد کرده نه الزاما) و مسیر عبور جریان گاز مسدود گردد. در این حالت جریان لخته ای در خط لوله بوجود می آید. جریان گاز با سرعتی به مراتب بیشتر از سرعت مایع حرکت می کنند.
لخته های مایع در چنین حالتی می توانند باعث لرزش های شدید و در برخی موارد بروز خطر در تجهیزات واقع در مسیر خطوط لوله و مراکز جمع آوری شوند. از ویژگی های این نوع رژیم جریان می توان از نوسانات منظم در پروفایل فشار و مقدار مایع تجمع یافته نام برد که معیار مناسبی برای تشخیص این الگوی جریان می باشند.
شکل جریان لخته ای.
۶- جریان حبابی(Bubbly Flow):
در خط لوله افقی در مواردی که نرخ حجمی جریان گاز نسبتا کم و نرخ حجمی جریان مایع نسبتا زیاد باشد، جریان حبابی بصورت حباب های کوچک گاز تحت تأثیر اختلاف چگالی در قسمت فوقانی لوله ظاهر می۔ شود. با افزایش نرخ حجمی فاز گاز، اندازهی حبابها بتدریج افزایش می یابد. سرعت ظاهری مایع در این نوع رژیم جریان بین ۵ الی ۱۵ فوت بر ثانیه و سرعت ظاهری گاز بین ۱ الی ۱۰ فوت بر ثانیه می باشد.
شکل جریان حبابی.
۷- جریان مه آلود:
با افزایش نرخ جریان فاز گاز درون لوله فاز گاز، فاز مایع را بصورت ذرات ریزی انتقال خواهد داد. معمولا چنین جریانی وقتی شکل می گیرد که سرعت ظاهری گاز بیش از ۲۰۰ فوت بر ثانیه باشد. در مواردی که نرخ جریان گاز نسبتا زیاد و نرخ جریان مایع نسبتا کم باشد، فاز مایع در داخل فاز گاز بصورت ذرات بسیار ریز و پراکنده تبدیل شده و اصطلاحا فضایی شبیه مه بوجود می آید. بطوریکه در این حالت، جریان را مه آلود می نامند.
شکل جریان مه آلود.
جریان دوفازی در لوله های عمودی:
در خطوط لوله قائم نیز الگوهایی ظاهر می شوند که تفاوت چندانی با الگوهای جریان در خطوط لوله افقی ندارند. یکی از مهم ترین رژیم های موجود در لوله های عمودی، جریان حبابی می باشد. در این نوع رژیم، جریان فاز مایع به صورت پیوسته و فاز گاز به صورت پراکنده(حباب های ریز) درون مایع به طرف بالا و یا پایین حرکت می کنند. سرعت فازها در این نوع جریان، به دلیل اختلاف جرم ویژه فازها متفاوت می باشد.
در جریان حبابی با افزایش سرعت فاز گاز، تعداد حباب ها افزایش یافته و از برخورد و به هم پیوستن آنها با یکدیگر چند گنبد چتری شکل گازی به وجود می آید که در قسمت هایی از لوله، تمام سطح مقطع لوله را اشغال می کنند. در این حالت که الگو جریان لخته ای به وجود می آید جریان به صورت منقطع از فازهای مایع و گاز، دارای افت فشار زیاد و همچنین از نظر فرآیندی با ایجاد سروصداهای ناهنجار و آسیب دیدگی تجهیزات، همراه است.
در طراحی خطوط لوله جریان دوفازی، سعی می شود حتی الامکان از ایجاد چنین رژیم جریانی، اجتناب شود. در جریان لخته ای با افزایش سرعت جریان، توده های گاز شکسته شده و جریان ناپایدار و انتقالی بین دو جریان لخته ای و حلقوی، شکل خواهد گرفت که جریان کف آلود یا انتقالی(Churn (Transition) Flow) نام دارد. در خطوط لوله جریان با قطر زیاد، حرکت نوسانی مایع به سمت بالا و پایین رخ خواهد داد در حالی که در لوله های باریک، این حرکت نوسانی به وقوع نخواهد پیوست. حرکت انتقالی بین دو نوع جریان لخته ای و حلقوی بسیار گذرا خواهد بود.
با افزایش مقدار دبی گاز جریان های حلقوی و قطره ای ایجاد می شود. در الگوی جریانی قطره ای، فاز گاز به صورت پیوسته و فاز مایع به صورت ذرات ریز به همراه آن در حرکت است. بطوریکه فاز گاز، فاز مایع را به صورت قطرات ریز انتقال می دهد. در این حالت، تغییرات فشار سیال توسط فاز گاز کنترل می شود. این نوع رژیم جریان به جریان حلقوی تبدیل خواهد شد. اشکال مختلف جریان دوفازی رو به بالا درون لوله های قائم با جهت جریان روبه بالا در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل الگوهای جریان دوفازی رو به بالا در خطوط لوله قائم.
رژیم های جریان در خطوط لوله شیبدار:
رژیم جریان دوفازی گاز – مایع در خطوط لوله شیبدار، تابع شیب خط لوله می باشند به طوریکه برای هر شيب معين، الگوی جریان مشخصی می تواند وجود داشته باشد. چنانچه خط لوله نسبت به حالت افقی دارای شیب مثبت نسبتا کمی باشد، انتقال رژیم جریان از حالت لایه ای به حالت متناوب یا حلقوی، تحت تأثیر قرار گرفته و باعث می شود که جریان متناوب در سرتاسر گستره وسیعی از نرخهای جریان مایع و گاز به وقوع بپیوندد. انتقال جریان لایه ای به جریان متناوب نسبت به زاویه شیب خط لوله، در جریان های رو به بالا، خیلی حساس بوده بطوریکه برای زاویه شیب رو به بالای کمتر از ۱ درجه، رژیم لایه ای به یک ناحیه گنبدی شکل کوچک، منقبض می شود. رژیم جریان لایه ای صاف به جز برای زاویه های کمتر از 0.25 درجه هرگز مشاهده نشده و برای مقادير 0.001 <Vsl جریان لایه ای در زاویه های بزرگتر از ۲۰ درجه وجود نخواهد داشت. برای زاویه های کوچک، انتقال جریان متناوب به حلقوی در سمت چپ ناحیه گنبدی قرار می گیرد؛ بنابراین، محدوده ای از نرخ های جریان مایع وجود خواهد داشت بطوری که اگر نرخ جریان افزایش یابد، الگوی جریان دوفازی از رژیم جریان متناوب به رژیم جریان لایه ای و سپس رژیم جریان حلقوی تغییر خواهد یافت.
با افزایش شیب خط لوله، ناحيه گنبدی شکل رژیم جریان لایه ای به تدریج حذف شده و دو رژیم جریان متناوب و حلقوی، دامنه وسیعی از نرخ های جریان مایع و گاز را در برمی گیرند. در جریان رو به بالا و در زوایای شیب نزدیک به حالت عمودی، ناحیه جریان حبابی مشاهده شده در نرخهای جریان کم مایع، ناپدید شده و فقط در نرخ های بالاتر مایع، جایی که نیروهای آشفتگی باعث تفکیک می شوند، رژیم جریان حبابی پراکنده مشاهده میشود. در این آزمایش ناحیه جریان حبابی در زاویه های ۵۰ الی 70ناپدید شده است.
یک تغییر کوچک در زاویه شیب خط لوله انتقال جریان رو به پایین تأثیر بزرگی روی رژیم جریان لایه ای داشته بطوریکه ارتفاع مایع در داخل خط لوله کمتر می شود. این اثر به علت نیروی گرانشی رو به پایین بوده که باعث حرکت خیلی سریع تر فاز مایع نسبت به فاز گاز می شود. به طور کلی، نرخهای بیشتری از جریان مایع و گاز به منظور انتقال از رژیم جریان لایه ای لازم می باشد به طوری که اگر زاویه شیب خط لوله (در جهت رو به پایین) افزایش یابد، ناحیه جریان لایه ای به طور قابل ملاحظه ای منبسط می شود. این تغییر به صورت عمده در زوایای کوچک شیب (۰ تا ۱۰) به وقوع پیوسته و از زوایای۱۰ الى ۷۰، ناحیه جریان لایه ای معمولا تغییر نمی یابد. در جریان رو به پایین از زاویه شیب ۷۰ به بالا، جریان لایه ای به طور تدریجی به جریان حلقوی تغییر می یابد. سپس ناحیه جریان حلقوی، منبسط شده و درحالی که ناحیه جریان لایه ای کوچک می شود، در جریان عمودی رو به پایین، ناحیه جریان لایه ای کاملا ناپدید میشود.
ناحیه جریان لایه ای صاف در زوایای شیب بیش از ۵ (در حالت جریان رو به پایین) مشاهده نمی شود. در جریان لایه ای رو به پایین همانند جریان افقی، ناپایداری طبیعی فصل مشترک به علت حرکت گاز روی فصل مشترک و اثر برنولی می باشد. علاوه بر این عامل، به علت جریان گرانشی مایع رو به پایین، ناپایداری فصل مشترک نیز تشدید می شود.
انتقال جریان لایه ای صاف به جریان لایه ای مواج در نرخهای پایین جریان گاز، مستقل از این نرخ جریان بوده و به نرخ جریان مایع وابسته است. انتقال از رژیم جریان لایه ای به حلقوی تا زاویه شیب ۷۰ (حالت جریان رو به پایین) در سرعت های بالای گاز اتفاق می افتد. در زوایای شیب رو به پایین بالاتر از ۷۰، ناحیه جریان حلقوی در سرعتهای کم فاز گاز ظاهر شده و ناحیه جریان حلقوی به طور قابل ملاحظه ای منبسط می شود. چنانچه زاویه شیب خط لوله در جریان رو به پایین افزایش یابد، ناحیه الگوی جریان متناوب، منقبض شده و در زوایای بیشتر از 10الگوی جریان متناوب فقط در سرعت های زیاد فاز مایع مشاهده می شود.
شکل الگوهای جریان دوفازی در خطوط لوله شیب دار.
با بررسی نکات فوق می توان نتیجه گرفت که رژیم های جریان دوفازی رو به بالا، عمدتأ رژیم جریان متناوب یا حلقوی می باشند. به عبارت دیگر افزایش شیب خط لوله در جریان های رو به بالا موجب افزایش مقدار مایع تجمع یافته شده و پایداری حاصل از تشکیل امواج روی سطح مایع، پیدایش رژیم جریان حلقوی و متناوب را به دنبال خواهد داشت. در جریان رو به پایین، رژیم جریان لایه ای تا زوایای ۷۰ به ازای نرخ های متوسطی از گاز و مایع وجود داشته و در زاویه ۹۰ کاملا ناپدید می شود. علت پایداری جریان لایه ای در خطوط لوله با شیب منفی(رو به پایین)، کاهش مقدار مایع تجمع یافته می باشد. به عبارت دیگر، نیروی گرانشی روی فاز چگال تر (سنگین تر) تمایل دارد تا کسر حجمی آن فاز را در جریان رو به بالا، افزایش و در جریان رو به پایین کاهش دهد. به طور مشابه نیروهای شناوری تمایل دارند که کسر فضای خالی گاز را در جریان رو به بالا کاهش و در جریان رو به پایین افزایش دهند. در جریان های دوفازی رو به پایین چنانچه نرخ جریان گاز افزایش زیادی یابد، انتقال به رژیم جریان حلقوی صورت گرفته و این مسئله مستقل از زاویه شیب خط لوله می باشد.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان دوفازی در لوله شیبدار در نرم افزار انسیس فلوئنت انجام شده است. قطر لوله 50 میلیمتر است. زاویه شیب لوله با افق 135 درجه است. سیال آب با سرعت 2 متر بر ثانیه در لوله جریان می یابد.
هندسه مسئله:
هندسه لوله شیبدار در نرم افزار ANSYS Design Modeler ترسیم شده است.
شبکه بندی:
شبکه بندی و مش در نرم افزار ANSYS Meshing تولید شده است.
شبیه سازی:
شبیه سازی در نرم افزار FLUENT انجام شده است.
جهت حل مسئله از حل کننده فشار مبنا (Pressure based) استفاده شده است.
سیالات:
سیال هوا و آب به عنوان سیالات دوفازی درنظرگرفته شده است.
مدل آشفتگی:
مدل آشفتگی دو معادله ای SST k-ω استفاده شده است.
برای ارتباط فشار و سرعت از الگوریتم کوپل Coupled استفاده شده است. برای گسسته سازی معادلات فشار از طری PRESTO و برای گسسته سازی معادلات مومنتوم و انرژی از طرح بالاست مرتبه دوم(second upwind order) استفاده شده است.
