b حبابهای سرپوشی در شرایط جریانی به صورت تجربی مشاهده شده است.
۵-۴) نتایج و بحث
با هدف ارزیابی این دو مدل در محدوده گسترده ای از شرایط جریان، هشت عملیات مختلف به صورت عددی انجام شده و با داده های تجری هیبیکی و همکاران(۲۰۰۱) تایید شده است. با مقایسه نتایج عددی کسرخالی گاز، قطر متوسط حباب و سرعت هوا با داده های تجربی، مقدار برخی پارامترهای قابل تنظیم در مدل برای رسیدن به نتیجه منطقی کلی در تمام موارد مطالعه شده تنظیم شده است. با در نظر گرفتن افزایش احتمال شکست بین حباب های نزدیک هم در شرایط جریانی کسر خالی بالا، عامل های کالیبراسیون شکست و پیوستگی ۰٫۱ و ۰٫۶ برای کسر خالی بالا در نظر گرفته شده است، در حالی که ۰٫۳ برای پیوستگی و ۱ برای شکست برای کسر خالی کم در نظر گرفته شده است. عاملهای کالیبراسیون مشابه در تحقیق چن و همکاران(۲۰۰۵) و اولموس و همکاران(۲۰۰۱) گزارش شده است.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل ۵-۴٫ توزیع مش مدل محاسباتی:آزمایش هیبیکی و همکاران (۲۰۰۱)
۵-۴-۱) توزیع کسر خالی
شکل ۴-۶ مقایسه توزیع کسر خالی شعاعی متوسط زمانی بین پیش بینی های شبیه سازی شده با اعمال روابط ضریب کشش سیمونت و همکاران (۲۰۰۷) و ایشی و زوبر(۱۹۷۹) و اندازه گیری های تجربی هیبیکی و همکاران(۲۰۰۱) در طول بی بعد نشان می دهد.
شکل ۵-۵) توزیع کسر خالی پیش بینی شعاعی و داده های تجربی هیبیکی و همکاران (۲۰۰۱)
موقعیت شعاع ۰ به معنی شعاع لوله و ۱ به معنی دیواره لوله است. براساس الگوهای توزیع فاز، هیبیکی و همکاران(۲۰۰۱) جریان حبابی همدما را به پنج نوع توزیع کسرخالی شعاعی : پیک دیواره^[۸۶]، پیک میانی^[۸۷]، پیک دانه^[۸۸]، واسطه^[۸۹] و مسطح^[۹۰] ، تقسیم کرده اند. در تحقیق حاضر، محدوده وسیع الگوهای جریان پیک دیواره، پیک میانی و واسطه در نظر گرفته شده است.هر دو مدل روابط ضریب دراگ، در کل سازگاری خوبی در بسیاری از شرایط جریانی در مقایسه با مقدار تجربی دارد. برای شرایط جریانی پیچیده، و در هر حباب سرپوشی مشاهده شده است، هر دو مدل ضریب دراگ هنوز در نزدیکی دیواره، پیش بینی قابل توجه بهتری دارند ، با این حال، کسر خالی در مرکز لوله زیر پیش بینی است(شکل ۵-۵-h). یکی از دلایل احتمالی که می تواند این ناسازگاری را توضیح دهد، ممکن است نیروی برآ جانبی باشد چون عامل عمده ای است که بر حرکت شعاعی حباب بین دیواره و مرکز لوله تاثیر دارد. نیروی برآ که در جریان برشی ساده روی حباب تاثیر دارد، به دلیل تغییر شکل حباب ، کسر خالی و سرعت نسبی بین دو فاز غالب است. همانطور که توسط تومیاما (۱۹۹۸) گزارش شده است، حباب به طرف مرکز لوله مهاجرت می کند، زمانی که حباب برای سیستم هوا – آب رو به بالا بزرگتر از ۵٫۵ باشد و روابط نیروی برآ آن در این مطالعه ارائه شده است. چون قطر متوسط حباب برای هر مدل ضریب دراگ (شکل ۵-۵ را ببینید) کمتر از استاندارد مهاجرت است، شبیه سازی کسر خالی بالای عددی در مرکز لوله به طور قابل توجهی دشوار است. دلیل احتمالی دیگر برای پیش بینی ناصحیح ممکن است به دلیل نیروی برآ است که از رفتار حباب منفرد در سیستم مایع ساکن بی نهایت به دست آمده است. تومیاما(۱۹۹۸). این امر زمانی چالش برانگیز است که در شرایط جریانی شامل تاثیر قابل توجه از حباب های همسایه فشرده به دست می آید.
۵-۴-۲) قطر متوسط حباب
توزیع قطر متوسط حباب پیش بینی شده و اندازه گیری شده در شکل ۵-۶ نشان داده شده است. تمایل بالقوه حباب های کوچک که به سمت دیواره مهاجرت می کنند، احتمالی برای حباب های متمرکز فراهم می کند که با هم ادغام شوند تا حباب های نسبتا بزرگتری تشکیل شود. بنابراین، پروفایل توزیع قطر حباب متوسط در جهت شعاعی مقادیر نسبتا مساوی دارد در حالی که مقادیر نسبتا بزرگتر نزدیک دیواره برای تقریبا بیشتر موارد جز برای شرایط جریانی و دارد. زمانی که اندازه حباب های تشکیل شده بیش از مقدار بحرانی استاندارد خاص (۵٫۵ میلی متر برای سیستم هوا- آب حبابی رو به بالا) است، حباب بزرگ به سمت مرکز لوله حرکت می کند و به شکل حباب سرپوشی در می آید. و شرایط جریان و نمونه معمول است که بیانگر این مهاجرت است و حباب های سرپوشی توسط هیبیکی و همکاران(۲۰۰۱) گزارش شده است. علاوه بر این، حباب سرپوشی پدیده ورود ضعیفی دارد که حباب های کوچک را در ناحیه حلقه آن جذب می کند تا حباب های بزرگتر تشکیل شود که در نتیجه، قطر متوسط حباب را در مرکز لوله افزایش داده و محدوده توزیع قطر متوسط حباب را بزرگ می کند. در کل، این دو مدل عددی به طور منطقی، توزیع اندازه حباب را برای تمام موارد جز شرایط جریانی و خوب پیش بینی می کند. هر دو رابطه ضریب دراگ قطر متوسط حباب را در مرکز کمتر پیش بینی می کند اما در نزدیکی دیواره منطقی پیش بینی می کند(شکل ۵-۶-h را ببینید). این ناسازگاری ها ممکن است به دلیل مدل موازنه جمعیتی باشد چون مدل فقط قطر حباب متوسط را بیان می کند. این ممکن است زمانی دشوار باشد که برای شرایط جریانی در محدوده گسترده توزیع اندازه حباب (چنگ و همکاران ۲۰۰۷) مطابقت داده شده باشد. علاوه بر این، نادیده گرفتن پدیده ورود حلقه در مدل یو و مورل(۲۰۰۴) ممکن است دلیل دیگر برای ناسازگاری بین نتایج پیش بینی شده و داده های اندازه گیری شده باشد.
شکل ۵-۶) توزیع قطر متوسط حباب پیش بینی شده و داده های تجربی هیبیکی و همکاران(۲۰۰۱)
۵-۴-۳)سرعت گاز متوسط زمانی
پروفایل های شعاعی پیش بینی شده و اندازه گیری شده سرعت هوا در ایستگاه اندازه گیری در خروجی دیواره در شکل ۵-۷ نشان داده شده است. رابطه ضریب دراگ سیمونت و همکاران (۲۰۰۷) با معرفی کسرخالی، پیش بینی قابل توجه بهتری از پروفایل های سرعت گاز نسبت به مدل ضریب دراگ ایشی و زوبر(۱۹۷۹) در بسیاری از موارد مطالعه شده دارد. همانطور که توسط سیمونت و همکاران (۲۰۰۷) گزارش شده است، تاثیر نیروی دراگ تمایل به افزایش با افزایش کسر خالی گاز تا ۱۵ % دارد، افزایش کسر خالی گاز بیشتر منجر به کاهش پدیده کاهش کشش می شود. دلایل توضیح افزایش کشش زمانی که کسر خالی گاز بین ۰ تا ۱۵ % است، به دلیل سرعت شتاب گرفته فاز مایع است. چون فضای فاز مایع با حباب های اضافه شده اشغال شده است، فاز مایع مجبور به شتاب گرفتن در فضای باریک برای حفظ همان دبی جریان است. زمانی که کسر خالی گاز بیش از مقدار بحرانی خاص ۱۵ % شود، اشتیاق در حلقه حباب ها شروع به تاثیر روی چگونگی شرایط می کند و منجر به کاهش ضریب دراگ با کسرخالی می کند. برای بیان بیشتر درجه بهبود ضریب دراگ سیمونت و همکاران(۲۰۰۷) با مدل ایشی و زوبر(۱۹۷۹) مقایسه می شود.
شکل ۵-۷) پروفایل سرعت شعاعی گاز پیش بینی شده و داده های تجربی هیبیکی و همکاران(۲۰۰۱)
مفهوم درصد خطای سرعت گاز به صورت زیر معرفی می شود:
(۵-۱۸)
در رابطه بالا، و سرعت های گاز پیش بینی شده و تجربی هستند. این فرمولاسیون برای برآورد صحت نتایج شبیه سازی در مقایسه با داده های تجربی استفاده می شود. در شکل ۵-۸، درصد خطای سرعت گازی متوسط زمانی در موقعیت محوری و ۵/۵۳ رسم شده است. خط بیانگر نتایج پیش بینی شده سیمونت و همکاران(۲۰۰۷) است در حالی که نقاط بیانگر داده های ایشی و زوبر(۱۹۷۹) است. همانطور که در شکل ۵-۸ نشان داده شده است، مدل سیمونت و همکاران(۲۰۰۷) مقادیر درصد خطای کمتری برای بسیاری از موارد در مقایسه با مدل ایشی و زوبر(۱۹۷۹) دارد و می تواند پیش بینی بهتری در سرعت گاز متوسط زمانی برای شرایط جریان عمده دارد.
۵-۵) نتیجه گیری
دو مکانیزم کشش ارائه شده توسط سیمونت و همکاران(۲۰۰۷) و ایشی و زوبر(۱۹۷۹) برای مدل دو سیالی اویلرین-اویلرین در ترکیب با مدل برای مدیریت شرایط جریان حبابی همدمای گاز – مایع اجرا شده است. تحقیق ویژه روی بررسی انتقال رژیم جریانی حبابی به گلوله ای تاکید دارد. عملکرد این دو مدل با اندازه گیری های تجربی هیبیکی و همکاران(۲۰۰۱) در سناریوهای مختلف جریانی تایید شده است. توزیع شعاعی متغیرهای اولیه : کسر خالی، قطر متوسط حباب و سرعت گاز، سه جنبه برای ارزیابی عملکرد دو مدل دراگ است. در کل، از هر دو رابطه ضریب دراگ ، پیش بینی می شود که سازگاری خوبی با داده های تجربی را داشته باشد . به دلیل وجود نیروی دراگ در مقایسه با سایرنیروها ،نیروی بین سطحی پارامتر پایه ای و اولیه است که روی سرعت مایع/گاز تاثیر دارد؛ مدل سیمونت و همکاران(۲۰۰۷) براساس کسرخالی محلی، پیش بینی نسبی بهتری برای سرعت گاز در مقایسه با روابط ایشی و زوبر(۱۹۷۹) دارد.
شکل ۵-۸) درصد خطای سرعت گاز متوسط زمانی در مقایسه با داده های تجربی هیبیکی و همکاران(۲۰۰۱).
فصل ششم
مدلسازی جریان حبابی گاز – مایع افقی با بهره گرفتن از روش موازنه جمعیتی
فصل ۶ مدلسازی جریان حبابی گاز – مایع افقی با بهره گرفتن از روش موازنه جمعیتی
جریان حبابی گاز – مایع حبابی ، کاربردهای صنعتی متعددی دارد؛ با این حال، این جهت گیری جریان، نسبت به جریان حبابی عمودی، توجه کمتری جلب کرده است. مهاجرت حباب های پراکنده به سمت بالا به دلیل تاثیر شناوری سبب توزیع داخلی فاز غیرمتقارن می شود که درجه دشواری پیش بینی های عددی را افزایش می دهد. در این مطالعه، توزیع فاز داخلی جریان حبابی افقی با بهره گرفتن از در چهار وضعیت جریانی با کسر حجم گاز متوسط تا ۲۰ % شبیه سازی شده است. توزیع سه متغیر اولیه محلی با داده های تجربی کوکاموستاگولاری و هونگ(۱۹۹۴) تایید شده است.
۶-۱)مقدمه
جریان حبابی افقی چندفازی به صورت گسترده در صنایع مختلف به دلیل قابلیت آن در ارائه مساحت بین سطحی بزرگ برای انتقال جرم و حرارت در کل و برای اضافه کردن قیر در انتقال هیدروی قیر، استفاده می شود. همانطور که توسط مالیسا و همکاران(۱۹۹۹)، لوترا و همکاران(۲۰۰۳)، والورک(۲۰۰۳) و منکوسکی (۱۹۹۹) گزارش شده است، تزریق هوا نه تنها مصرف انرژی را با کمک به بازیابی قیر در دمای فرآیندی پایین (زیر ۵۰ سلسیوس ) کاهش می دهد بلکه تمایل قطرات قیر را برای رسیدن به سطح حباب های هوا با همان اندازه افزایش می دهد. چون توزیع حباب های هوای تزریق شده یک پارامتر کلیدی در فرایند قیر است، توسعه مدلسازی و قابلیت های شبیه سازی توزیع اندازه در جریان حبابی افقی برای طراحی، عملیات و ایمنی سیستم انتقال هیدروی قیر مهم است. برای کاهش درجه پیچیدگی مدل های عددی سه فازی گاز- آب- جامد، سیستم جریان حبابی دو فازی گاز – آب اول مورد تاکید قرار گرفته است.
در گذشته، بسیاری از مطالعات عملکرد جریان حبابی روی پیکربندی عمودی تاکید داشتند و جهت گیری افقی مورد توجه تحقیقات کمی بوده است. در جریان های عمودی، شناوری در جهت مخالف یا موازی با جهت گیری جریان اصلی عمل می کند که روی سرعت نسبی گاز-آب در جهت محوری به جای سرعت یا تقارن توزیع فازی در جهت شعاعی تاثیر می گذارد. با این حال، در جریان های افقی، نیروی شناوری در جهت جریان اصلی است. این امر نه تنها سبب تقارن جریان می شود بلکه روی نیروی شعاعی اضافی اعمال می شود. بنابراین، تحت تاثیر همزمان نیروهای شعاعی و محوری ، حباب ها نه افقی حرکت می کنند نه عمودی، همانطور که در شکل ۶-۱ آمده است(لی و همکاران ۲۰۱۰). علاوه بر این، همانطور که توسط تسالیشوا و همکاران(۲۰۱۰) گزارش شده است، نیروی شناوری نیروی جانبی غالب در مقایسه با نیروی برآ جانبی در مدل عددی است که پیش بینی سرعت افزایشی شعاعی نسبتا آرام را که در آزمایشات بدون مدلهای عددی جدید اضافی در این مرحله مشاهده شده است، دشوار می کند.
شکل ۶-۱٫ حرکت های حباب شماتیک ساده در جریان لوله افقی : ترکیب نیروهای محوری و شعاعی ، حباب ها نه عمودی حرکت می کنند و نه افقی
در تحقیقات، فناوری های اندازه گیری متعددی برای بررسی مشخصات جریان حبابی افقی استفاده شده است. با این حال، هیچ تحقیق عددی در این زمینه تا مرحله اخیر گزارش نشده است. هوس و همکاران(۲۰۰۹) و تالی و کیم(۲۰۱۰) مدل جریانی متراکم^[۹۱] را برای پیش بینی مشخصات جریان انتگرال جریان های حبابی افقی توسعه داده اند در حالی که مدل جریانی متراکم نمی تواند برخوردهای کامل بین دو فاز را توصیف کند. تسلیشوا و همکاران(۲۰۱۰) مدل دو سیالی را در ترکیب با انتقال های نیروی بین سطحی برای شبیه سازی کسر خالی و پروفایل های سرعت در دو موقعیت جریانی توسعه داده اند: در لوله افقی مستقیم و لوله افقی با زانویی^[۹۲] ۹۰ درجه، با این حال، تمام تحقیقات عددی با فرض قطر حباب ثابت بدون در نظر گرفتن مکانیزم های برخورد واقعی مطالعه شده اند. با در نظر گرفتن پیوستگی و شکستن حباب در برخورد بین حباب ها وهمچنین بین حباب ها و گردابه ها در جریان های آشفته ، اکامبارا و همکاران(۲۰۰۸) مدل موازنه جمعیتی محاسباتی-روش گروه اندازه چندگانه() را برای بررسی توزیع فاز داخلی جریان حبابی افقی اعمال کرده اند. با هدف کاهش هزینه محاسباتی، یک مدل موازنه جمعیتی ساده متوسط-روش عدد چگالی متوسط حباب() برای شبیه سازی توزیع فاز داخلی جریان حبابی هوا- آب در لوله افقی با قطر داخلی ۵۰٫۳ میلی متر در این مطالعه اعمال شده است. با هدف ارزیابی عملکرد مدل در محدوده وسیع سناریوهای جریان، چهار وضعیت جریانی منفرد با کسر خالی گاز از ۴٫۴% تا ۲۰ % در نظر گرفته شده است. توزیع شعاعی پیش بینی شده کسر خالی، غلظت ناحیه بین سطحی() و سرعت گاز با داده های تجربی کوکاموستافوگالاری و هونگ(۱۹۹۴) تایید شده است.
جدول ۶-۱٫ سناریوهای جریان و جزئیات شرایط مرزی ورودی در شبیه سازی آزمایش کوکاموستافوگالاری و هونگ(۱۹۹۴)