توضیحات
پروژه شبیه سازی تبخیر-چگالش آب-بخار آب در لوله حرارتی یا لوله گرمایی(Heat pipe) با مدل جریان چندفازی VOF در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT)
با پیشرفت تکنولوژی و نیاز روزافزون به منابع انرژی، امروزه یکی از دغدغه های بشری استفاده بهینه از صورت های مختلف انرژی از جمله انرژی گرمایی می باشد. همچنین نیاز به انتقال گرمای بیشتر و سایر محدودیت های موجود، بهره گیری از طرح های نوین را می طلبد. یکی از موثرترین روش های پیشنهادی در این زمینه استفاده از لوله حرارتی می باشد. لوله های حرارتی به صورت گسترده در بسیاری از زمینه های مهندسی از جمله سیستم های تبدیل انرژی، خنک سازی راکتورها، کاربردهای فضایی و خنک سازی تجهیزات الکترونیکی مورد استفاده قرار گرفته اند. لوله های حرارتی وسایل موثری برای انتقال حرارت در نرخ های بالا می باشند. این وسیله، مقدار زیادی حرارت را در سطح مقطع کوچک و در فواصل طولانی با گرادیان دمای کم و بدون نیاز به توان خارجی منتقل می کند.
لوله حرارتی:
یک لوله حرارتی شامل یک محفظه آب بندی شده است که با یک ساختار یا ماده فتیله ای پوشانده شده است. محفظه کاملاً تخلیه شده و تنها با مقدارکافی مایع برای اشباع کامل فتیله پر شده است. چون لوله های حرارتی در یک سیکل بسته دو فازی عمل می کنند و تنها مایع خالص و بخار درون محفظه وجود دارد سیال عامل تا زمانیکه دمای شرایط کارکرد بین دمای نقطه سه گانه و دمای نقطه بحرانی باشد در شرایط اشباع باقی می ماند.لوله گرمایی یا لوله حرارتی وسیله ای برای انتقال حرارت است که برمبنای اصول هدایت حرارتی و تغییرات فازی سیالات طراحی شده و انتقال حرارت بین دو منطقه سرد و گرم را به بهترین و مهندسی شده ترین شکل با بیشترین بهره وری ممکن می سازد. لوله حرارتی وسیله ای است که می تواند مقادیر بزرگی از گرما را با اختلاف دمای اندک به سرعت میان منبع گرم و منبع سرد انتقال دهد. شاید به همین جهت از لوله حرارتی به عنوان ابررسانا یاد می شود. بازدهی بالای آنها در انتقال حرارت برجسته است، به طوری که یک لوله حرارتی با جداره مسی از لوله تو پر مسی با همان ابعاد بسیار پر بازده تر است. لوله های حرارتی در اشکال و ابعاد گوناگون ساخته می شوند و از ابزارهای دیگر انتقال حرارت، سبکتر هستند و محدودیت های کمتری دارند.
ساختار لوله حرارتی:
همانطور که در شکل نشان داده شده است، یک لوله حرارتی شامل سه ناحیه متمایز است:
1- اواپراتور evaporator (ناحیه دریافت گرما)
2-کندانسور condenser (ناحیه دفع گرما)
3-ناحیه آدیاباتیک یا همدما.
ساختار یک لوله حرارتی از نظر عملی به سه منطقه تقسیم می شود:
الف) منطقه تبخیر یا ناحیه اواپراتور که در یک انتهای لوله قرار دارد و در این منطقه گرما به محفظه وارد می شود. و باعث تبخیر سیال عامل محتوی لوله می شود؛ بنابراین در این بخش گرما دریافت می شود.
ب) منطقه چگالش یا ناحیه کندانسور که در انتهای دیگر لوله است و گرما در این ناحیه دفع می گردد. این بخش از لوله گرمایی در چاه گرمایی قرار دارد. در این قسمت بخار به مایع تبدیل می شود و گرمای نهان تبخیر آزاد می شود.
ج) ناحیه آدیابات یک که بین دو ناحیه اواپراتور و کندانسور را شامل می شود. در این قسمت از لوله گرمایی انتقال حرارتی نداریم. شکل زیر نشان دهنده ساختار لوله حرارتی می باشد.
زمانیکه گرما به ناحیه اواپراتور(evaporator) داده می شود سیال عامل موجود در ساختار ویک تا زمانی که بخار شود گرما می گیرد. دمای بالا و متعاقب آن فشار بالای این ناحیه باعث می شود که بخار به سمت ناحیه خنک کننده کندانسور(condenser) حرکت کند که در این ناحیه بخار کندانس می شود و گرمای نهان تبخیر خود را پس می دهد و سپس نیروهای موئین موجود در ساختار ویک مایع را به سمت اواپراتور پمپ می کند. به طور اساسی یک لوله حرارتی شامل سه جزء اصلی است: محفظه که می تواند از شیشه یا سرامیک یا فلزات ساخته شود. ساختار فتیله ای که می تواند از فایبرگلاس بافته شده و پودر فلز ته نشین شده یا تور سیمی یا مش های سیمی یا شیارها ساخته شود و سیال عامل که می تواند از نیتروژن و هلیوم برای دماهای پایین تا لیتیوم و پتاسیم یا سدیم برای دماهای بالا تغییر کند. که هر سة این اجزاء با در نظرگرفتن نوع ماده و خواص ترموفیزیکی و سازگاری دارای اهمیت یکسان می باشند.
عملکرد لوله حرارتی:
عملکرد لوله حرارتی به این صورت است که، حرارت در منطقه اواپراتور به لوله حرارتی وارد شده و بدین وسیله سیال عامل داخل قسمت فتیله ای، در اثر دریافت گرمای نهان تبخیر، به بخار اشباع تبدیل می شود. بخار اشباع حاصل، در اثر اختلاف فشار به انتهای دیگر لوله حرارتی یا ناحیه کندانسور منتقل می شود. این منطقه در ناحیه خنک تری قرار داشته و از این رو بخار اشباع، گرمای نهان تبخیر خود را از دست داده و تقطیر می شود. مایع اشباع حاصل، از طریق ساختار فتیله ای توسط نیروی مویینگی به قسمت اواپراتور بازگردانده می شود و سیکل مجددا تکرار می شود تا گرما به طور پیوسته از ناحیه گرم به ناحیه سرد منتقل شود. در لوله حرارتی، نیروی پیشران عبارتست از اختلال موضعی فشار بخار بین اواپراتور (انتهای گرم لوله) و کندانسور(انتهای سرد لوله). موقعی که به مایع درون اواپراتور گرما داده می شود فشار بخار اصلی افزایش می یابد و سیال اواپراتور در طول وسیله به طرف ناحیه ی کندانسور که دارای فشار کم بخار است، حرکت می کنند.
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 سیاله : 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 سیاله: راکتورهای بستر سیاله، بسترهای سیاله 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:
پیشرفت مکانیک سیالات محاسباتی راههای دستیابی به بینش بیشتر از دینامیک جریان های چند فازی را تأمین کرده است. در حال حاضر دو روش برای محاسبات عددی جریان های چند فازی وجود دارد: روش اولر – لاگرانژ و روش اولر- اولر.
روش اولر – لاگرانژ:
مدل فاز مجزای لاگرانژی در انسیس فلوئنت از روش اولر – لاگرانژ تبعیت می نماید . در این روش فاز سیال با حل معادلات ناویر – استو کس میانگین زمانی به عنوان یک محیط پیوسته در نظر گرفته می شود، در حالی که فاز پراکنده با ردیابی تعداد زیادی از ذرات، حباب ها با قطرات از درون میدان جریان مورد محاسبه، حل می شود. فاز پراکنده می تواند ممنتوم، جرم و انرژی را با فاز سیال مبادله نماید. یک فرض اساسی بکار رفته در این مدل این است که فاز ثانویه پراکنده جزء حجمی کمی را اشتغال می نماید. هر چند که میزان بار جرمی زیاد قابل قبول است، مسیر ذرات یا قطرات به صورت یکی یکی و مجزا در فواصل زمانی مشخص در طی چرخش فاز سیال محاسبه می شود.
این فرض مدل حاضر را برای مدلسازی خشک کن های اسپری، احتراق سوخت مایع یا زغال و برخی جریان های بارشده با ذرات مناسب و اما برای مدلسازی مخلوط های مایع – مایع، بسترهای پر شده و هر کاربردی که در آن جزء حجمی فاز دوم صرفنظر نباشد نامناسب می سازد.
روش اولر – اولر:
در روش اولر – اولر فازهای متفاوت از نظر ریاضی به صورت دو محیط پیوسته که متقابلا درهم نفوذ می کنند، در نظر گرفته می شوند . از آنجایی که حجم یک فاز نمی تواند به وسیله فاز دیگری اشغال شود، مفهوم جزء حجمی فازی ایجاد می شود. فرض می شود که این جزء حجمی ها توابع پیوسته ای از زمان و مکان هستند و مجموع آنها برابر یک است. قوانین بقاء برای هر فاز جهت به دست آوردن یک دسته معادله که برای همه فازها ساختار مشابهی دارند. نتیجه گیری شده اند.
این معادلات با استفاده از روابطی اساسی که از دانش تجربی حاصل شده اند یا در مورد جریانهای دانه ای با استفاده از تئوری سینتیک بسته می شوند. در نرم افزار انسیس فلوئنت سه مدل مختلف چند فازی اولر – اولر وجود دارد: مدل حجم سیال ، مدل mixture، مدل Eulerian و مدل فاز مجزا.
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.
فرمولاسیون VOF در انسیس فلوئنت عموما برای محاسبه ی حل های وابسته به زمان استفاده شده است، اما برای مسائلی که صرفا در گیر حل پایدار هستند، امکان انجام یک محاسبه پایدار وجود دارد. محاسبات VOF پایدار فقط وقتی که حل مستقل از شرایط اولیه است و مرزهای داخل جریان مشخص برای فازهای مجزا وجود دارد منطقی است. به عنوان مثال از آنجایی که شکل سطح آزاد داخل یک فنجان چرخان به سطح اولیه سیال بستگی دارد، این چنین مسئله ای باید با استفاده از فرمولاسیون وابسته به زمان حل شود. از طرف دیگر، یک جریان آب داخل یک کانال با لایه های از هوا در بالا و یک ورودی هوای مستقل می تواند با استفاده از فرمولاسیون پایدار حل شود.
مدل mixture:
این مدل برای تعداد دو یا بیشتر فاز(سیال یا ذرات) طراحی شده است. مانند مدل Eulerian با فازهایی به صورت محیط های پیوسته که متقابلا در هم نفوذ می کنند، برخورد می شود. مدل mixture معادله ممنتوم مخلوط را حل می کند و سرعتهای نسبی را برای توصیف فازهای پراکنده در نظر می گیرد. مدلmixture یک مدل چند فازی مختصر شده است که برای مدل جریانهای چند فازی که در آن فازها با سرعتهای متفاوتی حرکت می کنند ولی حالت تعادل محلی را در فاصله مقیاس های طولی فضایی کوتاه به خود می گیرند، مورد استفاده قرار می گیرد. پیوستگی بین فازها باید قوی باشد این مدل همچنین می تواند برای مدل کردن جریان های چند فازی هموژن با اتصال خیلی قوی و حرکت فازها با یک سرعت یکسان به کار رود. مدل mixture می تواند n فاز (سیال یا ذره) را با معادلات انرژی، پیوستگی و مومنتوم برای مخلوط، معادلات جزء حجمی برای فازهای ثانویه و عبارت جبری برای سرعت های نسبی مدل سازی نماید. کاربردهای معمول مدل mixture شامل رسوب سازی، جدا کننده های سیکلون، جریانهای بار شده با ذرات با بارگیری کم و جریان های حبابی که در آن جزء حجمی گاز کم می ماند، می باشد. مدل mixture یک جانشین خوب برای مدل چند فازی انسیس فلوئنت است.
یک مدل چند فازی کامل وقتی که یک توزیع وسیع از فاز ذره ای وجود دارد، یا وقتی که قوانین بین فازی ناشناخته هستند یا اعتبار آنها زیر سوال است، ممکن است مناسب نباشد. یک مدل ساده تر مثل مدل mixture می تواند به همان خوبی مدل چند فازی کامل عمل کند در حالی که تعداد کمتری متغیر را به نسبت مدل چند فازی کامل حل می کند.
مدل Eulerian:
مدل Eulerian پیچیده ترین مدل چند فازی انسیس فلوئنت است. این مدل امکان مدلسازی فازهای چندگانه مجزا اما با تأثیر متقابل را می دهد. فازها می توانند مایع فاز گاز یا جامد، تقریبا در هر ترکیبی باشند با هریک از فازها با دیدگاه اولری برخورد می شود که با دیدگاه اولر – لاگرانژی بکار رفته در مدل فازهای مجزا، متفاوت است. این مدل یک دسته از n معادله ممنتوم و پیوستگی را برای هر فاز حل می کند. کوپلینگ به وسیله فشار و ضرایب مبادله بین فازی انجام شده است. روشی که این کوپلینگ انجام می شود، بستگی به نوع فازهای درگیر دارد. در مورد جریانهای دانه ای (سیال – جامد) به طرز متفاوتی از جریانهای غیر دانه ای (سیال – سیال) اقدام می شود. برای جریانهای دانه ای، خصوصیات از کاربرد تئوری سینتیک به دست آمده است تبادل مونتوم بین فازها نیز وابسته به نوع مخلوطی است که مدل می شود. توابع تعریف شده توسط کاربر در انسیس فلوئنت به کاربر اجازه می دهد که محاسبات مبادله ممنتوم را به دلخواه خود بسازد. با مدل چند فازی Eulerian تعداد فازهای ثانویه فقط به وسیله حافظه مورد نیاز می تواند مدل شود. با این وجود برای جریانهای چند فازی پیچیده حل مسئله ممکن است به وسیله رفتار همگرایی محدود شود. کاربردهای مدل چند فازی Eulerian شامل ستون های حبابی ، لوله های عمودی گاز یا آب، سوسپانسیونهای ذرات و بستری سیاله است.
در مدل Eulerian حل انسیس فلوئنت بر پایه موارد زیر است:
- یک فشار بین همه فازها مشترک است.
- معادلات پیوستگی و ممنتوم برای هر فاز حل می شوند.
- پارامترهای زیر برای فازهای دانه ای در دسترس هستند: • دمای دانه ای ( انرژی نوسانی جامدات ) می تواند برای هر فاز جامد محاسبه شود. این محاسبه بر پایه یک رابطه تجربی است.
- برش فاز جامد و ویسکوزیته های توده ای از کاربرد تئوری سینتیک برای جریانهای دانه ای به دست آورده می شوند.
- چندین تابع ضریب درگ بین فازهای موجود است که برای انواع مختلف رژیم های چند فازی مناسب هستند ( همچنین امکان اصلاح ضریب دراگ بین فازی از طریق توابع تعریف شده توسط کاربر وجود دارد).
همه انواع مدل های توربولنسی ε-k قابل استفاده هستند و ممکن است که در مورد همه فازها یا برای مخلوط به کار روند.
مدل DPM:
مدل DPM برای تعداد دو یا چند فاز (سیال یا ذرات) طراحی شده است. این مدل برای مسیر یابی ذرات کاربرد دارد. مدل فاز پراکنده لاگرانژین در فلوئنت از روش اولر – لاگرانژ تبعیت می کند. فاز سیال به عنوان یک فاز پیوسته رفتار می کند که معادلات ناویر – استو کس متوسط وابسته به زمان برای آن حل می شود، در حالی که فاز پراکنده با ردیابی تعداد زیادی از مسیر حرکت ذرات، حباب ها و یا قطرات در سراسر میدان جریان محاسبه می شود. فاز پراکنده به درون فاز سیال پیوسته تزریق می شود. فاز پراکنده می تواند حرکت، جرم و انرژی با فاز سیال مبادله کند. در این مدل مسیر یابی ذارت و قطرات در چهارچوب لاگرانژین محاسبه می شود و مبادله (کوپل) گرما، جرم و ممنتوم با فاز پیوسته در چهارچوب اولرین انجام می شود. انسیس فلوئنت محدوده وسیعی از مسائل فازهای مجزا، شامل پراکندگی ذرات و دسته بندی آنها، خشک کن پاششی، پراکندگی ذرات معلق مایع و جامد در هوا، هم زدگی مایعات توسط حبابها ، احتراق سوخت مایع، احتراق زغال سنگ را می تواند شبیه سازی کند.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان چندفازی در لوله حرارتی یا لوله گرمایی(Heat pipe) در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
هندسه مسئله:
به منظور ترسیم هندسه مسئله از نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) استفاده شده است.
شبکه و مش:
شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) تولید شده است.
شبیه سازی و حل:
به منظور شبیه سازی از نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) استفاده شده است.
حلگر:
حلگر مورد استفاده، حلگر فشار مبنا (Pressure based) در شرایط گذرا (Transient) است.
مدل جریان چندفازی(VOF):
مدل جریان چندفازی بکاربرده شده در این پروژه، مدل VOF می باشد.
مدل لزجت:
مدل لزجت استفاده شده در این پروژه مدل جریان آرام است.
سیال:
سیالات بکاررفته در این پروژه آب، و بخار آب می باشند.
وابستگی سرعت-فشار:
الگوریتم سیمپل(SIMPLE) برای حل معادلات وابستگی سرعت-فشار استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
