توضیحات

پروژه شبیه سازی کاویتاسیون(کاواکزایی) جریان دوفازی در اریفیس در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT)

اریفیس:

در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و در برخی از تجهیزات آن نیاز به افت فشار مشخصی می باشد. یکی از روش های ایجاد افت فشار، استفاده از اریفیس(orifice) است. برای تأمین افت فشار مشخص، ممکن است که چند مرحله اریفیس استفاده شود. در اغلب موارد به دلیل کمبود فضا و خوردگی تاسیسات، هرچه از تعداد اریفیس کمتر استفاده شود بهتر است. اریفیس ها اضافه بر ایجاد افت فشار، می توانند باعث خوردگی، ایجاد جریان های کاویتاسیون و نیز ایجاد لرزش فراوان شوند. طراحی و انتخاب بهینه ابعاد و تعداد اریفیس به عنوان یک موضوع مهم در این صنایع است. در تأسیسات به کاررفته در اغلب صنایع، دبی سنجی و افت فشار مشخصی لازم است که اریفیس یکی از گزینه های مطرح به همین منظور می باشد. اریفیس ها بسته به ضخامت و قطر سوراخ افت فشار ایجاد می کنند که ممکن است در مواردی به چند مرحله اریفیس نیاز باشد. از طرفی اریفیس علاوه بر ایجاد افت فشار، می توانند باعث خوردگی، لرزش و کاویتاسیون شود. پس باید ترکیب مناسبی برای تعداد و پارامترهای هندسی اریفیس ارایه شود. اریفیس محبوبترین و متداول ترین وسیله اندازه گیری جریان می باشد. اساس کار آن بدین گونه است که اختلاف فشاری که در طول این وسیله توسط یک صفحه واقع در خط فرآیند ایجاد شده است اندازه گیری می شود تا دبی جریان تعیین شود. انواع متداول اریفیس سه نوع متداول اریفیس وجود دارد که عبارتند از : هم مرکز، مختلف المرکز و قطعه ای اریفیس هم مرکز ساده ترین و ارزانترین نوع است. وقتی اریفیس بر روی یک خط جریان نصب می شود با جاری شدن سیال در مسیر در ناحیه ای که اریفیس ها نصب شده اند از سطحی که سیال از آن عبور می کند کاسته شده که این کاهش سطح باعث به وجودآمدن یک اختلاف فشار در بعد و قبل از اریفیس می شود که این اختلاف فشار به میزان سرعت جریان بستگی دارد. اریفیس مشابه عملکرد وسایل ابتدایی، به منظور تولید افت فشار، جریان سیال را در طول مسیر خودش به هم می فشرد؛ نتیجه آن که فشار سیال در ابتدای جریان بیشتر از فشار جریان در انتهای جریان می باشد. افت فشار ایجاد شده متناسب با مجذور سرعت سیال است.

کاویتاسیون:

پدیده کاویتاسیون، مثال بسیار خوبی است از پدیده هایی که یک دورة گذار را از بسیار زیان آور بودن به بسیار سودمند بودن طی کرده اند. نقش مخرب این پدیده در کاربردهای فراوانی در مکانیک سیالات – به ویژه در توربوماشین ها- مهندسین را بر آن می داشت تا از وقوع آن جلوگیری به عمل آورند. اما، امروزه، کاویتاسیون به عنوان تنها شیوه یا مناسب ترین شیوه انجام بسیاری از فرآیندهای مهم فیزیکی و شیمیایی در صنعت مطرح شده است. این کاربردهای فراوان و منحصر به فرد به علت به وجود آمدن شرایط محیطی فوق العاده ای است که در اثر روی دادن کاویتاسیون ایجاد می شوند. کاویتاسیون، شکل گیری حباب ها یا حفره های بخار سیال در داخل آن می باشد. این پدیده با کاهش فشار موضعی سیال به کمتر از فشار بخارش در دمای ثابت روی می دهد. این حفره ها یا حباب ها پس از شکل گیری، مراحل رشد، نوسان و فروپاشی را طی می کنند. شرایط محیطی ای که در اثر کاویتاسیون ایجاد می گردند شامل دما و فشار موضعی بسیار بالا، امواج ضربه ای گرادیان های فشار بالا، توربولنس موضعی، میکروگردش های سیالی و نرخ گرم سرد شدن های بسیار سریع می باشد. هریک از این شرایط می توانند منجر به انجام یک فرآیند فیزیکی یا شیمیایی شوند که در حالت عادی امکان روی دادن آنها وجود ندارد. امروزه، گستره ی فرآیندهایی که از کاویتاسیون استفاده می کنند به قدری وسیع است که امکان دسته بندی مناسب آنها در شاخه های معین وجود ندارد. در حال حاضر، بیشترین علاقه در به کارگیری این پدیده را می توان در ابعاد نانو و به خصوص فرآیندهای شیمیایی مشاهده نمود. سنتز بسیاری از مواد شیمیایی تحت شرایط کاویتاسیون مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه بر این، کاویتاسیون به عنوان یک فرآیند اکسیداسیون قوی و مناسب شناخته شده است. همچنین امواج فشاری حاصله از کاویتاسیون در جداسازی مخلوط های شیمیایی به کار گرفته شده اند. بررسی های متعددی نیز در مورد استفاده از کاویتاسیون در صنایع متفاوت دیگری مانند صنایع پزشکی و دارویی(کمک به درمان بیماری های سیستم عصبی و سیستم ماهیچه ها، از بین بردن تومورهای سرطانی و….)، صنایع غذایی(هموژنیزه کردن شیر و…)، پاکسازی فاضلاب صنعتی، آماده سازی سوخت ها، پاکسازی سطوح، صنایع نظامی(استفاده از سوپرکاویتاسیون) صورت گرفته است. هنگامی که یک جسم در داخل آب حرکت می کند محیط آب پیرامون خود را تحت تأثیر قرار می دهد. این تأثیرات در قالب گرادیان های فشار و سرعت قابل درک است. هنگامی که فشار استاتیک موضعی آب در یک ناحیه کاهش پیدا کند بطوریکه فشار آب کمتر از فشار اشباع در دمای متناظر گردد(در حالت ایده آل) ذرات آب مایع تبدیل به حباب های بخار می شوند این پدیده را کاویتاسیون می نامند.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی کاویتاسیون(کاواکزایی) جریان دوفازی در اریفیس در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.

هندسه مسئله:

هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) ترسیم شده است.

شبکه و مش:

شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) تولید شده است.

شبیه سازی و حل:

شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.

حلگر:

حلگر فشار مبنا (Pressure based) در شرایط پایا و متقارن استفاده شده است.

مدل لزجت:

مدل آشفتگی دو معادله ایSST k-ω استفاده شده است.

سیال:

سیال مورد استفاده آب و بخار آب می باشد.

نمونه نتایج شبیه سازی: