توضیحات
پروژه شبیه سازی فرآیند جوشش جریانی مادون سرد براساس مدل جوشش RPI در لوله عمودی در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)
Simulation of Flow Boiling through Vertical Pipe based on RPI Boiling Model in Ansys Fluent 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)
شرح پروژه:
پدیده جوشش کاربرد بسیار وسیعی در صنعت به ویژه در صنعت تولید انرژي دارا است. از طرفی بررسی آزمایشگاهی جوشش در بسیاري از موارد فرآیندي غیراقتصادي، زمانبر و خطرناك است. به همین دلیل شـبیه‌سازي این فرآیند میتواند به تحقیقات در این زمینه کمک نماید. در این تحقیق، جوشـش جریـانی سیال مادون سرد درون لوله عمودي توسط نرم افزار ANSYS Fluent شبیه‌سازي شده است. پدیده جریان دوفازی جوشش در کانال‌ها و لوله های عمودی به دلیل بالابودن ضریب انتقال حرارت از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این پروژه جریان جوشش مادون سرد آب در یک لوله‌ی عمودی به طول 2 متر و شعاع 7.7 میلی‌متر، تحت شار حرارتی ثابت روی دیوار به صورت دائم، در حالت دو بعدی با استفاده از نرم افزار Ansys Fluent به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. برای شبیه‌سازی مدل جریان دو فازی از مدل اویلرین، برای مدلسازی فرآیند جوشش روی دیوار از مدل جوشش RPI و برای مدلسازی آشفتگی از مدل K-w SST ستفاده شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) ترسیم شده است.
شبکه و مش بندی:
در گام دوم از روند شبیه سازی نیازمند شبکه بندی مناسب برای استفاده از روش حجم محدود می باشد. بنابراین یکی از مهم ترین و اساسی ترین قسمت در یک حل عددی با دقت قابل قبول با صرف کمترین هزینه و دقت مناسب و همچنین صرف زمان کم از موضوعات مهم در یک شبیه سازی موفق می باشد. در این پروژه از نرم افزار انسیس مشینگ( Ansys Meshing) به منظور شبکه بندی هندسه استفاده شده است. تولید یک شبکه مناسب تاثیر بسیار زیادی در دقت نتایج به دست آمده خواهد داشت. لازم است در نواحی که گرادیان های جریان زیاد است و یا سطح جسم از لحاظ هندسی با تغییرات زیادی همراه است، شبکه از تراکم مناسبی برخوردار باشد.
نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS Fluent):
نرم افزار Ansys Fluent، یکی از قوی ترین نرم افزارهای محاسباتی برای شبیه سازی جریان سیال و انتقال حرارت در هندسه های پیچیده می باشد. برخی از قابلیت های این نرم افزار به صورت زیر می باشد: مدل سازی سیال های نیوتنی و غیر نیوتنی، جابجایی آزاد و اجباری، انتقال حرارت هدایتی و تشعشعی و جابجایی، چارچوب های چرخان و ساکن، مدل سازی جریان ها در هندسه های پیچیده دو بعدی و سه بعدی، مدلسازی جریان های پایا و گذرا، غير لزج، آرام و مغشوش، دو فازی و چند فازی، سطح آزاد با شکل های سطح پیچیده و مدل سازی جریان در محیط های متخلخل، مدل سازی مشعل های خانگی و صنعتی. از این نرم افزار در صنایع مختلف پتروشیمی، هوافضا، توربو ماشین های خودروسازی، الکترونیک (نیمه هادی ها و خنک سازی قطعات الکترونیک)، مبدل های حرارتی، تهویه مطبوع، مشعل سازی استفاده می شود. این نرم افزار قابلیت مدل سازی جریان های دو و سه بعدی را داراست. این نرم افزار بر پایه روش حجم محدود که یک روش بسیار قوی و مناسب در روش های دینامیک سیالات محاسباتی می باشد، بنا شده است. قابلیت های فراوانی نظیر مدل سازی جریانهای دائم و غير دائم، جریان لزج و غير لزج، احتراق، جریان مغشوش، حرکت ذرات جامد و قطرات مایع در یک فاز پیوسته و ده ها قابلیت دیگر Fluent را تبدیل به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور نموده است.
حلگر:
نوع حلگر مورد استفاده، حلگر مبتنی بر فشار در شرایط پایا متقارن و گرانشی می باشد.
سیال:
سیال مورد استفاده آب و بخار آب می باشد.
مدل جریان دو فازی:
مدل جریان دوفازی اولرین استفاده شده است و برای شبیه سازی جوشش از مدل جوشش RPI استفاده شده است.
مدل لزجت:
مدل آشفتگی دو معادله ای k-w SST استفاده شده است.
وابستگی سرعت-فشار:
به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم حل کوپل(Coupled) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
