توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان دوفازی سیال گلیسرین-هوا با مدل حجم سیال(VOF) در نازل در نرم افزار استار سی سی ام(+Star-CCM)
Simulation of Two-Phase Flow of Glycerin-Air through Nozzle by VOF model in Star-CCM+ Software
مدلسازی جریان های چند فازی:
تعداد زیادی از جریان ها در طبیعت و تکنولوژی به صورت مخلوطی از چند فاز هستند. فازهای فیزیکی ماده گاز ، مایع و جامد هستند. اما مفهوم فاز در یک سیستم جریان فازی به صورت گسترده تری به کار برده شده است. در جریان چند فازی، یک فاز می تواند به معنای نوع قابل تشخیصی از ماده باشد که یک پاسخ اینرسی و بر هم کنش خاص با جریان و میدان پتاسیلی که در آن غوطه ور است. به عنوان نمونه ذرات جامد از یک ماده خاص با اندازه های مختلف، می توانند به صورت فازهای متفاوتی عمل کنند چرا که هر مجموعه ای از ذرات با یک سایز مشابه، پاسخ دینامیکی مشابهی به میدان جریان دارند.
رژیم های جریان چند فازی:
جریان چند فازی می تواند به وسیله رژیم های زیر در چهار گروه طبقه بندی شود:
جریان های گاز – مایع یا مایع – مایع:
-جریان حبابی: حباب های سیال یا گازی مجزا داخل یک سیال پیوسته.
– جریان قطره ای : قطرات کوچک مجزای سیال در یک محیط گازی پیوسته.
-جریان تکه ای: حباب های بزرگ در یک سیال پیوسته.
-جریان با سطح آزاد یا جریان لایه لایه شده : سیالات مخلوط نشدنی که به وسیله فصل مشترک هایی که به وضوح قابل تشخیص هستند از هم جدا شده اند.
جریان های گاز – جامد:
– جریان بار شده با ذرات: ذرات جامد مجزا در یک محیط گازی پیوسته .
-انتقال بادی : الگوی جریان به فاکتورهایی مانند بارگیری جامد، اعداد رینولدز و خصوصیات ذره بستگی دارد.
– الگوهای عادی این جریان جریان شنی روان، جریان تکه ای ، بسترهای پر شده و جریان همگن هستند.
– بسترهای سیال : این بسترها از یک استوانه قائم تشکیل شده اند که گاز از طریق یک موضع وارد آن می شود . گاز از درون بستر بر می خیزد و موجب سوسپانسیون شدن ذرات می شود. بسته به شدت جریان گاز، حباب ها ظاهر می شوند و از درون بستر برمی خیزند و اختلاط داخل بستر را تشدید می کنند.
جریان مایع – جامد:
– جریان دوغابی: انتقال ذرات در مایعات ، انتقال در مایعات.
– رفتار بنیادی جریان های جامد – مایع با خصوصیات ذرات جامد به نسبت خواص مشابه در مایع تغییر می کند. در جریان های دوغابی عدد استوکس معمولا کوچکتر از یک است. وقتی عدد استوکس بزرگتر از یک است، مشخصه جریان، سیال شدن جامد – مایع است.
– انتقال با آب: ذرات جامد که به صورت انبوه درون یک مایع پیوسته توزیع شده اند.
-رسوب سازی : یک ستون بلند ابتدا حاوی یک مخلوط با پخش یکنواختی از ذرات است. در کف ستون ذرات کند خواهند شد و تشکیل یک لایه لجن می دهند. در بالا یک لایه صاف آشکار خواهد شد و در وسط یک ناحیه نشست کردهی پایدار وجود خواهد داشت.
جریان های سه فازی:
ترکیبی از حالت های لیست شده در فوق هستند.
مثال هایی از سیستم چند فازی:
– مثال های جریان حبابی: جاذب های گازدار کردن، پمپ های بالابر هوا، کاویتاسیون، تبخیر کننده های شناورسازی، گاز شویی کننده ها
– مثال های جریان قطره ای: جاذب ها، افشانگرها، محفظه های احتراق، پمپاژ سرماز، خشک کننده های تبخیر کردن، خنک کردن گاز، گاز شویی کننده ها
-مثال های جریان تکه ای: حرکت حباب بزرگ در لوله ها و تانک ها .
– مثال های جریان با سطح آزاد یا لایه لایه شده: جریان های که با اسکله های استخراج نفت برخورد می کنند، جوشش و چگالش در راکتورهای هسته ای
-مثال های جریان بار دار شده با ذرات: جدا کنندهای سیلکون، طبقه بندی کننده های هوا، جمع کننده های گرد و خاک و جریانهای محیطی پر گرد و خاک
– مثال های انتقال بادی: انتقال سیمان، انتقال سیمان، دانه های غلات و پودرهای فلز .
مثال های بستر سیال: راکتورهای بستر سیال، بسترهای سیال چرخان.
-مثال های جریان دوغایی: انتقال دوغاب، فرایندهای مواد معدنی.
-مثال های انتقال با آب: فرایندهای مواد معدنی، سیستم های سیال وابسته به زیست پزشکی و شیمی طبیعی.
-مثال های رسوب سازی: فرایندهای مواد معدنی.
روش های مدلسازی چند فازی:
مدل VOF:
مدل VOF این مدل یک تکنیک مسیر یابی سطح است که در مورد یک مش بندی اولری ثابت، صادق است. این مدل برای دو یا تعداد بیشتری سیال غیر فعال قابل امتراج که موقعیت فصل مشترک بین سیالات مورد توجه قرار می گیرد، طراحی شده است. در مدل VOF یک دسته معادلات ممنتوم مشترک بین همه سیالات وجود دارد و جزء حجمی هریک از سیالات در هر سلول محاسباتی در سرتاسر دامنه دنبال شده است. کاربردهای مدل VOF شامل جریان های لایه لایه، جریان های با سطح آزاد، پر کردن، هم زدن، حرکت حباب های بزرگ در یک مایع، حرکت مایع بعد از شکست سد، پیش بینی فروپاشی جت (کشش سطحی) و دنبال کردن انتقالی یا پایدار هر فصل مشترک مایع – گاز.
دینامیک سیالات محاسباتی:
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) یک ابزار مبتنی بر محاسبات کامپیوتری جهت شبیه سازی رفتار سیستم هایی شامل جریان سیال، انتقال حررات و سایر فرایند های فیزیکی وابسته است. این ابزار با حل معادلات جریان سیال(در یک فرم خاص) بر روی یک ناحیه مورد نظر، با اعمال شرایط مرزی مشخص، جریان سیال را پیش بینی می کند.
نرم افزار استار سی سی ام ( +STAR-CCM):
نرم افزار استار سی سی ام(+ Star-CCM) محصولی از شرکت CD-ADAPCO می باشد و به دلیل پیشرفتهای چشمگیری که در زمینه های حل عددی دست یافته به یکی از مدرن ترین نرم افزارها در بین رقبای این دسته تبدیل شده است. این نرم افزار شامل آخرین الگوریتم های عددی مانند حل های پیشرفته، حل مجزا و حل متصل بوده که از پیشرفته ترین تکنیک های برنامه نویسی استفاده کرده است. تمام این موارد اجازه می دهد تا این نرم افزار دارای دقتی بی سابقه، قابلیت اطمینان و انعطاف پذیری زیاد در حل مسائل پیچیده دینامیکی داشته باشد. این نرم افزار شامل ابزاری قدرتمند برای تولید شبکه های جدید بوده که می توان برای ساخت سلول های چندوجهی در کوتاه ترین زمان از آن استفاده کرد.
+Star-CCM جامع ترین شبیه سازی فیزیک مهندسی جهان را در داخل یک بسته یکپارچه فراهم می کند.+ Star-CCM بیشتر از یک حلگر CFD، یک فرآیند مهندسی برای حل مسائل مربوط به جریان(مایعات و گازها) و انتقال حرارت می باشد. +Star-CCM مجموعه ای شامل تمامی اجزای فرآیند مهندسی است که طیف وسیعی از نیازهای مدلسازی را فراهم می کند. برخی از اجزای این مجموعه شامل طراحی سه بعدی اجسام، ابزار آماده سازی سطوح مختلف، فناوری مش خودکار، مدل های فیزیکی از پیش تعیین شده، مدلسازی جریان مغشوش، پردازش اطلاعات است. اساس کار +Star-CCM فناوری برنامه نویسی شی- چرخشی می باشد. این برنامه برای استفاده سریع و آسان برای مدل های بزرگ طراحی شده که از سرورهای منحصر به فرد معماری استفاده می کند که به طور منحصر به فردی مش زده و پردازش های قبل از حل مسئله را همزمان و بدون نیاز به انجام کار خاصی از طرف کاربر انجام می دهد. نرم افزار استار سی سی ام اخیرا به اولین پکیج تبلیغاتی CFD تبدیل شده که قادر است مسئله ای با بیش از یک بیلیون سلول را حل کند.
مدل های فیزیکی:
مدل های فیزیکی بسیاری در نرم افزار استار سی سی ام(+Star-CCM) به طور پیش فرض وجود دارد تا محیط نرم افزاری آن را به محیطی ساده برای مدیریت تنظیمات حل تبدیل کند. برخی از مدل های موجود در این نرم افزار عبارت اند: از:
- حلگر
- زمان
- اغتشاش
- تراکم پذیر
- انتقال گرما
- چند فازی
- مش متحرک
- واکنش شیمیایی و احتراق
- محیط متخلخل.
مدل های جریان مغشوش در نرم افزار + STAR-CCM:
نرم افزار استار سی سی ام (+Star-CCM) مدل های مغشوش متعددی را در پیش فرض برخی از این مدل ها عبارت اند از:
- مدلK-Epsilon
- مدل K-Omega
- مدل اغتشاش رینولدز
- مدل های اغتشاشی Spalart-Allmaras
- انتقال لایه مرزی
- مدل های عددی گردابه
- شبیه سازی گردابه بزرگ
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان دوفازی سیال گلیسرین-هوا در نازل با مدل حجم سیال(VOF) در نازل در نرم افزار استار سی سی ام( Star-CCM+) انجام شده است.
هندسه مسئله:
شبکه و مش بندی:
سیال:
سیال مورد استفاده گلیسیرین و هوا می باشد.
نمونه نتایج شبیه سازی:
