توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان دوفازی اولرین جوشش جریانی مادون سرد سیال آب در لوله عمودی در نرم افزار استار سی سی ام(+Star-CCM)
Simulation of Flow Boiling through Vertical Pipe based in Star-CCM+ Software
جریان های دوفازی:
مطالعه جریان های دوفازی از جنبه های گوناگونی حائز اهمیت است از این نوع جریان ها در فناوری های هسته ای و به طور خاص در مولدهای بخار هسته ای بخارسازهای نیروگاهی بویلرها کندانسورها، سیستمهای سردساز و مبدل های حرارتی خطوط انتقال نفت و گاز سکوهای نفتی سیستم های تهویه مطبوع و سیستمهای بازیابی هیدروکربن در صنایع انتقال نفت و گاز استفاده می شود. در این سیستم ها تعیین دقیق حداکثر محدوده ای که سیستم به صورت ایمن بتواند کار کند بسیار ضروری است. بنابراین در مطالعه شار گرمای بحرانی(Critical Heat Flux) فرآیند جوشش استخری(Pool boiling) ، مطالعه جریان های دوفازی در تحلیل ایمنی و بهره وری تجهیزات حرارتی از اهمیت زیادی برخوردار است.
جوشش(boiling):
جوشش، فرآیند تغییر فازی است که حبابهای بخار یا بر روی سطح گرم و یا لایه مایع سوپرهیت شده که در مجاور سطح گرم است تشکیل می شوند. شار گرمای بحرانی در جوشش اتفاق می افتد. درواقع وقتی که بخار تولید شده ناحیه خاصی از سطح را می پوشاند منجر به بالارفتن ناگهانی دمای سطح می شود و از آنجاییکه لایه بخار از تماس مایع با سطح و تشکیل حباب جلوگیری می کند این پدیده را بحران جوشش می نامند. همچنین افزایش دما میتواند منجر به تخریب سطح گرم شده که به عنوان سوختن مشخص می شود که خود پدیده ای است که تحت عنوان انحراف از جوشش هسته ای و خشک شدن شناخته شده است. شار گرمای بحرانی همانند روانکاری مرزی در تریبولوژی پدیده ای پیچیده است به خاطر اینکه هر دو پدیده نه تنها به دینامیک سیال بلکه به جنبش دینامیک غیر سیال مایع بر روی سطح جامد نیز مرتبط است. به همین دلیل عملکرد سطح جامد بسیار مهم است نظریه دقیقی برای شار گرمای بحرانی هنوز به دست نیامده است اما به نظر میرسد که تصاویر فیزیکی از این پدیده با توجه به نتایج بسیاری از تلاشهای تحقیقاتی به تازگی شروع به همگرایی می کند.
جوشش ممکن است در شرایط مختلفی روی دهدکه براین اساس جوشش را می‌توان به انواع مختلفی دسته بندی کرد. بر اساس ساکن بودن یا در جریان بودن سیال می‌توان جوشش را بر دو دسته استخری(Pool boiling) و جوشش جریان اجباری (Force convection boiling) تقسیم بندی کرد. که در هر یک از شرایط فوق می‌توان بر اساس دمای توده سیال،جوشش مادون اشباع (Subcooled) یا اشباع شکل گیرد. در جوشش مادون اشباع دمای مایع کمتر از دمای اشباع آن می‌باشد و حبابهای تشکیل شده در سطح ممکن است در مایع میعان پیدا کنند. در جوشش اشباع دمای مایع کمی از دمای اشباع بیشتر است. در این حالت حبابهای تشکیل شده در روی سطح بر اثر نیروهای شناوری به بالا رانده شده و از سطح آزاد مایع خارج می‌شوند.
جوشش استخری:
جوشش می تواند در شرایط مختلفی روی دهد. مثلاً در جوشش استخری مایع ساکن است و حرکت آن در نزدیک سطح بر اثر جابجایی آزاد و آشفتگی ناشی از رشد و جدایی حباب از سطح می باشد. جوشش استخري فرآیندي است که بدون اعمال جریان اجباري رخ می‌دهد و جریان سیال فقـط بـه علـت جابجایی طبیعی می‌باشد. ولی در جوشش با جابه جایی اجباری حرکت سیال توسط عوامل خارجی و همچنین بر اثر جابجایی آزاد و آشفتگی حبابی بـه وجـود می آید. جوشش را به صورت مادون سرد یا اشباع نیز می توان دسته بندی کرد.
جوشش جریانی:
جوشش جریانی به علت وجود فرآیندهاي هیدرودینامیک و انتقال حرارت جوششی، پیچیده تر از جوشش استخري می‌باشد. در اینجا جوشش جریان رو به بالا درون لوله را بررسـی مـی‌کنـیم. نیـروي شـناوري بـه جریـان حباب ها به سمت بالا کمک می‌کند و سرعت لغزشی بین دو فاز که از اختلاف دانسیته ناشـی مـی‌شـود موجـب بهبود انتقال حرارت می‌گردد. نیـروي شـناوري بـه جریـان حباب ها به سمت بالا کمک می‌کند و سرعت لغزشی بین دو فاز که از اختلاف دانسیته ناشـی مـی‌شـود موجـب بهبود انتقال حرارت می‌گردد. شکل زیر جزئیات رژیم جریان و انتقال حرارت در یک کانال عمـودي بـا جریـان مادون سرد رو به بالا که شار حرارتی به دیواره کانال اعمال می‌شـود را نشـان مـی‌دهـد. در ابتـداي کانـال رژیـم جریان تک‌فاز می‌باشد و انتقال حرارت به صورت جابجایی اجباري بوده با عبـور سـیال از کانـال، شـار حرارتـی دریافتی موجب جوشش سیال شده و میزان کسر حجمی بخار تولیدي افزایش مـی‌یابـد ایـن امـر موجـب تبـدیل رژیم تک‌فاز به ترتیب به رژیم‌هاي جریان حبابی، جریان اسلاگ، جریان حلقوی و جریان قطـره اي مـی‌شـود. در رژیم جریان حبابی مایع شروع به جوشش می‌کند با دریافت بیشتر شار حرارتی حباب هاي بیشتري تولید شـده و به صورت گروه هایی به یکدیگر می‌پیوندند و رژیم اسلاگ را به وجود می‌آورند با افزایش کسر حجمی رژیم جریان حلقوي به وجود می‌آید که درآن جریان مایع به دیواره لوله تمایل پیدا کرده و جریان گـاز از مرکـز لولـه عبور می‌کند و در رژیم جریان قطرهاي سطح تماس دیواره با مایع ناچیز بوده و مایعات به صورت قطـرات ریـزي در لوله جریان می‌یابند این امر موجب کاهش انتقال حرارت شده و از طرفی موجب بالارفتن دماي دیـواره مـی‌گردد بنابراین باید مواظب این نوع رژیم جریان بود.
جوشش مادون سرد(Subcooled boiling):
دمای مایع کمتر از دمای اشباع است و حباب های تشکیل شده در سطح ممکن است چگالیده شوند.
جوشش اشباع(Saturated boiling):
دمای مایع کمی بیشتر از دمای اشباع است لذا حباب های تشکیل شده در سطح توسط نیروهای شناوری پیشرانده و سرانجام از سطح آزاد فرار می کنند.
فرایند جوشش جریانی سیال مادون سرد:
الگوي جریان جوشش مادون سرد با جزئیـات آن در شـکل زیر نشـان داده شـده اسـت. در نقطـه‌ي شـروع جوشش هسته‌زایی((ONB، هسته‌زایی حبابها شروع می‌شود، در حالی که دماي توده مـایع هنـوز پـایین‌تـر از دماي اشباع می‌باشد. در شار حرارتی ثابت، معمولا رخداد (ONB) همانطور که در شکل زیر نشـان دادهشـده بـا افت اندك دمایی همراه است. این افت دمایی به علت افزایش ناگهانی در ضریب انتقال حرارت محلـی ناشـی از فرایند هسته‌زایی حباب ها است. حبابها به طور مشخصی در بین نقاط B و E بـه دیـواره متصـل مـی‌ماننـد. بعـد از نقطه‌ي E در جایی که هنوز مایع مادون سرد است و آنتالپی کل پایین‌تر از آنتالپی مایع اشباع اسـت، حبـابهـایی که از دیواره جدا می‌شوند می‌توانند بقا داشته‌باشند و میعان نشـوند. نقطـه‌ي E نقطـه‌ي شـروع فضـاي خـالی قابـل توجه((OSV یا تولید خالص حباب (NVG) می‌باشد. در نقطه F دماي مخلوط سیال به دماي مایع اشباع میرسد. تا قبل از نقطه‌ي E جوشش جزئی رخ می‌دهـد، در ایـن منطقـه جابجـایی اجبـاري و جوشـش هسـته‌زایـی مکانیزمهاي اصلی انتقال حرارت می‌باشند. جوشش توده اي که در آن جوشش مکانیرم اصلی انتقال حرارت می‌باشد در واقع کمی قبل از نقطه‌ي (OSV) رخ می‌دهد. در جوشش تودهاي سهم جابجایی اجباري اندك می‌باشد. نقاط (ONB) و (OSV)، نقاط حدي عملیاتی مهمی بـراي سیسـتم‌هـاي جوشـش مـی‌باشـند.
روش های مدلسازی جریان های چند فازی:
براساس معادلات به کاررفته برای پیش‌بینی رفتار هر فاز، روش های مدلسازی جریان های چندفازی به طور کلی به دو دسته تقسیم می‌شوند:
- مدل های اولری – لاگرانژی
- مدل های اولری – اولری.
مدل های اولری – لاگرانژی:
مدل های اولری-لاگرانژی در مواردی استفاده می‌شود که کسر حجمی فاز گسسته در مقابل کسر حجمی فاز پیوسته قابل صرفنظر کردن باشد. در این روش، فاز با کسر حجمی بالاتر به عنوان یک فاز پیوسته در نظر گرفته شده و معادلات ناویر-استوکس برای آن حل و در نهایت اندرکنش ذرات با فاز پیوسته، به صورت جملات چشمه به معادلات اضافه می‌شود. همچنین برای فاز گسسته، قانون دوم نیوتن نوشته شده و مسیر ذرات فاز گسسته از این طریق ردیابی می‌گردد. در هنگام محاسبات فاز سیال، مسیر ذرات یا قطرات بطور جدا و در مسیرهای متناوب محاسبه می‌شوند. این مدل برای مدلهای خشک‌کن تزریقی(spray dryer)، احتراق(combustion) و برخی از جریان های مملو از ذرات(particle-laden) مناسب است. اما برای مخلوطهای مایع- مایع، بسترهای سیالی و در هر کاربردی که کسر حجمی فاز دوم قابل صرفنظرکردن نباشد، مناسب نیست. مدل فاز مجزا از این تقریب استفاده می‌کند. لازم به ذکر است که برای جریانهای مملو از ذرات، حباب و قطرات که کسر حجمی فاز گسسته کمتر یا مساوی ١/٠ باشد، معمولا از مدل فاز مجزا (discrete phase model) استفاده می‌شود.
مدل های اولری – اولری:
در مدل های اولری-اولری، معادلات ناویر- استوکس به صورت جداگانه برای هر فاز حل می‌شوند. با توجه به اینکه نمی‌توان از کسر حجمی برای فازهای مختلف صرفنظر کرد، قسمتی از میدان جریان که توسط هر فاز اشغال شده است با استفاده از کسر حجمی فاز مربوطه مشخص خواهد شد. با توجه به اینکه مقدار کسر حجمی بخار در مقابل آب قابل چشم‌پوشی نیست، نمی‌توان از مدلهای اولری – لاگرانژی برای شبیه‌سازی عددی مسئله حاضر استفاده کرد.
در نرم افزار انسیس فلوئنت، زیر شاخه‌های زیر مربوط به مدلسازی به روش اولری – اولری هستند:
روش حجم سیال(Volume of Fluid (VOF) Model)
روش مخلوط(Mixture Model)
روش اولرین(Eulerian Model)
نرم افزار +Star-CCM:
نرم افزار استار سی سی ام( +Star-CCM) بسته نرم افزاری جامعی برای شبیه سازی مسائل مکانیک سیالات است. این نرم افزار برمبنای تکنولوژی برنامه نویسی شی گرا است که توانایی اجرای مدل های متنوع با سرعت بالا و نمایش همزمان نتایج را ایجاد می کند. این نرم افزار اولین نرم افزار تجاری دینامیک سیالات محاسباتی با توانایی شبکه بندی و حل مسئله با بیش از یک میلیارد المان است. در این نرم افزار ابتدا توسط مدل ساز هندسی سه بعدی هندسه مسئله با قابلیت ویرایش و به صورت پارامتری تولید می شود. سپس با ابزار آماده سازی سطح، کیفیت هندسة تولیدشده یا واردشده را به بالاترین سطح ممکن برای تولید شبکه افزایش می دهد. در ادامه با تکنولوژی شبکه بندی اتوماتیک با سرعت بسیار بالا و قابلیت پردازش موازی محدوده محاسباتی را شبکه بندی می کند. از قابلیت های منحصر به فرد این نرم افزار تنوع گسترده در تولید حجم کنترل های چندوجهی و شبکه بندی نزدیک دیواره های صلب است. پس از تولید شبکه محاسباتی مدل فیزیکی مسئله تعیین می شود. نرم افزار استار سی سی ام پلاس(Star-CCM+) با ارائه حلگرهای گوناگون امکان حل گستره وسیعی از پدیده های فیزیکی مانند مسائل دوبعدی و سه بعدی، جریان های پایا و ناپایا، آرام و مغشوش، تراکم پذیر و تراکم ناپذیر، چندفازی، شبکه متحرک، احتراق، واکنش شیمیایی، محیط متخلل و… را فراهم کرده است. علاوه بر جریان آرام و غیرلزج، مدل های اغتشاشی متنوعی از مدل استاندارد ε-k تا مدل شبیه سازی گردابه های بزرگ وجود دارد که توانایی شبیه سازی رژیم های جریان مختلف را ممکن می سازد. روش حل عددی در استارسی سی ام پلاس به طور معمول روش حجم محدود است. در این روش محدوده محاسباتی به حجم کنترل های کوچک تقسیم می شود و معادلات گسسته شده انتقال برای هر المان استخراج می شود. درنتیجه دسته معادلات جبری با بعد تعداد المان بدست می آید. با حل این دستگاه معادلات توسط حلگرهای جبری مشخصات جریان برای هر المان و در نتیجه کل محدوده محاسباتی به دست می آید. نرم افزار استار سی سی ام( +Star-CCM) 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.
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 فرآیند جوشش جریانی مادون سرد سیال آب در لوله عمودی در نرم افزار استار سی سی ام(+Star-CCM) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در شکل زیر نشان داده شده است. در این مسئله فرآیند جوشش مادون سرد در لوله عمودی مورد مطالعه قرارگرفته است. شعاع لوله 7.7 میلیمتر و قطر آن 15.4 میلیمتر و ارتفاع لوله 2 متر می باشد. هندسه مسئله از مقاله Bartolomei و همکاران(1967) [1] گرفته شده است. ارتفاع لوله عمودی 2 متر می باشد و آب مادون سرد در این لوله جریان می یابد. فشار خروجی لوله 45 بار یا 6 10*4.5 پاسکال است. گرما بطور یکنواخت در دیواره لوله اعمال می شود.
[1] Bartolomei, G. G. & Chanturiya, V. M. Experimental Study of True Void Fraction When Boiling Subcooled Water in Vertical Tubes, Thermal Engineering, 14(2), 1967.
شبکه محاسباتی:
انتخاب مدل فیزیکی:
مدل های فیزیکی در نرم افزار استار سی سی ام، متغیرهای اولیه شبیه سازی از جمله فشار، دما، سرعت و معادلات ریاضی حاکم مورد استفاده را تعریف می کنند. در این پروژه، جریان به صورت پایا و آشفته می باشد. مدل آشفتگی K-epsilon انتخاب شده است. نیروی گرانشی در جهت و راستای x- اعمال شده است. از آنجاییکه مسئله شامل جریان چندفازی است، دو سیال آب و بخار آب برای تحلیل انتخاب شده اند. مدل های فیزیکی این پروژه به صورت شکل زیر نشان داده شده است.
سیال:
سیال مورد استفاده آب و بخار آب می باشد.
نمونه نتایج شبیه سازی:
