حل میدان‌های جریان‌های چند فازی با استفاده از نرم افزارهای CFD

Multi Phase Flow Simulation in CFD Softwares

جریان‌های چندفازی (Multi Phase Flow) به جریان‌های گفته می‌شود که از دو یا چند فاز (حالت) ماده تشکیل شده است. این جریان‌ها می‌توانند بصورت مایع-مایع (Liquid-Liquid)، گاز-مایع (Gas-Liquid)، گاز-جامد (Gas-Solid)، مایع-جامد (Liquid-Solid)و البته جامد-مایع-گاز (Gas-Liquid-Solid) باشند. در جریان‌های چندفازی، فازهای سیال می‌توانند دارای مرز مشترک مشخص باشند ( immiscible) مثل سطح آزاد آب (محل برخورد آب و هوا) و حرکت حباب هوا در سرنگ پزشکی یا اینکه مرز مشترک مشخصی نداشته و امتزاجی باشند همانند اسپری‌ها و کاویتاسیون (miscible).

جریان‌های دوفازی بیشماری در طبیعت وجود دارند که از مهمترین آن‌ها می‌توان به باران، برف، مه، بهمن، آب‌های روان سطحی، سطح دریاها و اقیانوس‌ها، چشمه‌ها، آب‌های زیر زمینی، سیلاب، طوفان، گرد و غبار، طوفان شن، فوران آتشفشان، گرده افشانی گیاهان و بسیاری از موارد دیگر اشاره نمود. تقریبا تمامی صنایع نیز به طوری با جریان‌های چندفازی در ارتباطند. صنایع هوافضا؛خودرو سازی؛ نفت و گاز در مراحل استخراج، پالایش و توزیع؛ کاغذ سازی؛ غذایی؛ عمران؛ شیمی؛ کشاورزی و همچنین سازمان‌ها و ارگان‌هایی نظیر هواشناسی و محیط زیست از جمله این صنایع و سازمان‌ها به شمار می‌روند.

جریان‌های چندفازی مایع-مایع (Liquid-Liquid Multipahse Flow)

بارزترین و ساده ترین مثال برای توصیف جریان‌های چندفازی مایع-مایع، تهیه دوغ است. نوشیدنی لذیذ که در هنگام تهیه آن، با هم زدن ماست و آب (البته بدون در نظر گرفتن نمک که در این حالت جریان چندفازی جامد-مایع-مایع خواهد بود) شاهد بروز جریان دو فازی مایع-مایع خواهیم بود. استخراج انواع نفت و میعانات همراه با آب مثالی از جریان چندفازی مایع-مایع به شمار می‌رود. جداسازی آب و نفت در دستگاه‌های جدا کنند نفت و آب (شکل ابتدای همین صفحه) نیز فرآیندی است که کاملا در آن جریان دوفازی مایع-مایع برقرار است. تزریق رنگ در تونل آب برای آشکارسازی جریان نیز یکی دیگر از جریان‌های دوفازی مایع مایع است.

جریان‌های چندفازی گاز-مایع (Gas-Liquid Multi phase Flow)

بخش عمده جریان‌های چندفازی مرتبط با جریان‌های گاز-مایع می‌باشد. این جریان‌ها می‌تواند جریان خارجی (در فضای آزاد) مثل باران، مه، آب‌های روان، امواج/حرکت کشتی‌ها، امواج/پایه‌های پل‌ها، اسپری‌ها و کانال‌های باز اتفاق بیافتد یا اینکه جریان داخلی (در فضای داخلی) مثل کاویتاسیون در پمپ‌ها، پایپینگ، انژکتورها، تونل‌های آب و غیره رخ دهد. مرز بین این فازهای جریان‌های گاز-مایع می‌تواند مشخص (سطح آزاد آب-مرز آب و هوا- درهنگام حرکت کشتی) و یا نامشخص (مثل انژکتورها) باشد. به غیر از جریان‌های سطح آزاد یا فازهای جدا از هم یا غیر امتزاجی (Separated Multi phase Flow)، سایر جریان‌های چند فازی مایع-گاز بصورت جریان‌های حباب دار (Bubbly Flow)، قطرانی (ِDroplet Flow) و یا انتقالی (Transient Multi Phase Flow) می‌باشد.

البته اندازه، شکل و تعداد حباب‌ها متناسب با سرعت جریان گاز متغیر است (اشکال زیر). همین امر برای قطرات نیز صادق خواهد بود (مثل قطر میانگین ساترن SMD براساس سرعت و فشار).

مهمترین مسائل مهندسی درگیر با جریان‌های چندفازی گاز-مایع

پدیده‌های بسیاری وجود دارند که ناشی از جریان‌های دوفازی مایع-گاز می‌باشند و از لحاظ مهندسی اهمیت دارند که در این قسمت برجسته‌ترین آن‌ها معرفی شده‌اند.

الف: جریان‌های سطح آزاد

جریان‌های سطح آزاد شامل مواردی نظیر جریان آب و هوا حول کشتی، قایق و غیره در هنگام حرکت آن‌ها، جریان عبوری از اطراف پایه‌های پل‌ها، جریان آب در کانال‌های رو باز و رودخانه‌ها، جریان آب آرام و یا متلاطم پشت سدها، استخرهای تصفیه، دریاچه‌ها، دریاها و اقیانوس‌ها؛ تلاطم (Sloshing) در مخازن مایعات از جمله تانک‌های سوخت و همچنین پر شدن (Filling) مخازن از مهمترین مسائل مهندسی درگیر با جریان‌های دو فازی گاز-مایع هستند.

پر شدن مخازن

ب: کاویتاسیون

کاویتاسیون پدیده‌ای است که د رآن، در ناحیه‌ای از مایع با فشار پایین، به دلیل رسیدن فشار مایع به فشار بخار، حباب بخار شکل می‌گیرد. کاویتاسیون -نام‌های دیگر: حباب‌زایی، خوردگی،  حفره‌سازی، خلاءزایی و حُفره‌زایی- یا همان Cavitation یک جریان حباب‌دار (Bubbly Flow) می‌باشد و در آن تشخیص مرز بین فازهای‌های جریان از یکدیگر غیر ممکن است. کاویتاسیون معمولا با خورده‌گی و خرابی همراه است. به عنوان مثال کاویتاسیون در پره های توربین و به‌راحتی می‌تواند باعث تخریب پره گردد. از دیکر مثال‌ها برای این پدیده می‌توان به کاویتاسیون در پروانه‌ی کشتی‌ها اشاره کرد. هرگاه در سیستم هیدرودینامیکی (مانند پمپ‌ها، پروانه کشتی، کانال‌های آب، پایپینگ و غیره) افت فشار ایجاد شود بطوری که فشار سیال به فشار بخار نزدیک گردد، سیال در همان دما شروع به جوشش می‌کند که منجر به ایجاد حباب‌های بخار در سیال می‌شود. پدیده جوشش سیال در اثر افت فشار (نه افزایش دما) را کاویتاسیون می‌نامند. در تمامی سیستم‌های هیدرودینامیکی که سیال به سرعت بالا میرسد می‌بایست پدیده کاویتاسون را مطالعه و بررسی کرد. کاویتاسیون همواره با ارتعاش همراه است که خود نیز باعث کاهش عمر مفید قطعات و تجهیزات می‌شود. البته در برخی موارد کاویتاسیون پدیده‌ی مفید و مناسبی به شمار می‌رود که از مهمترین ‌آن‌ها می‌توان به کاهش نیروی درگ (Drag Force) در تجهیزات رونده در آب مثل اژدرها اشاره نمود.

ج: اسپری و انژکتور

رژیم‌های جریان در اسپری‌ها و انژکتورها در دسته جریان‌های قطرانی (Droplet Flow) قرار می‌گیرند. معمولا در این نوع جریان‌ها بر خلاف جریان حباب دار، فاز اصلی گاز و فاز(های) ثانویه مایع می‌باشند. در اسپری‌ها نمی‌توان مرز مشخصی بین فازهای جریان تعیین نمود. فازهای ثانویه را می‌توان پیوسته یا گسسته در نظر گرفته و با متدهای متناسب شبیه سازی کرد. فشار تزریق، قطر و زاویه پاشش به همراه سرعت گاز نقش اساسی در شکل توزیع و قطر میانگین قطرات اعمال می‌کنند. همانطور که می‌دانید چگونگی توزیع قطرات (الگوی پاشش) و قطر میانگین قطرات اسپری‌ها و انژکتورها در خصوصیات جریان از جمله واکنش و احتراق فوق‌العاده مهم هستند.

• 

جریان‌های چندفازی گاز جامد (Gas-Solid Multi-Phase Flow)

نکته مشترک در تمامی جریان‌های چند فازی گاز-جامد اینست که همواره فاز اولیه یک گاز می‌باشد و حداقل یک فاز ثانویه جامد دارد. به جز حالت رسوب در بقیه حالت‌ها، فاز ثانویه جامد بصورت ذرات ریز پراکنده در فاز اولیه وجود دارد. بنابراین مرز مشخصی بین فازهای جامد-گاز (به جز حالت رسوب یا لایه نشانی) قابل تصور نیست. بسته به سرعت گاز، یک جریان چند فازی گاز-جامد می‌توانند بصورت یکی از اشکال زیر باشد. ابعاد، شکل، وزن و تعداد ذرات جامد در مستقیما روی خصوصیات جریان تأثیر گذار است. همچنین یکی از چالشهای اینگونه جریان‌ها، محاسبه ضریب درگ فاز جامد است.

از مهمترین مسائل مهندسی درگیر با این نوع جریان می‌توان به سندبلاستها (Sand Blast)، جداکننده‌های ذرات گردبادی (Cyclone Particle Separators)، گرد و غبار، انتقال نیوماتیکی (Pneumatic Transport) و جریان‌های پر-ذره (Particle Laden Flow) اشاره نمود.

جریان‌های چندفازی مایع-جامد (Liquid-Solid Multi-Phase Flow)

همانند جریان‌های گاز-جامد، در همه جریان‌های مایع-جامد نیز همواره فاز اولیه یک مایع می‌باشد و حداقل یک فاز ثانویه جامد دارد. به جز حالت رسوب یا همان ته‌نشینی (Sedimentation) در بقیه حالت‌ها، فاز ثانویه جامد بصورت ذرات ریز پراکنده در فاز اولیه وجود دارد. بنابراین مرز مشخصی بین فازهای جامد-مایع (به جز حالت رسوب یا ته‌نشینی) قابل تصور نیست و البته همانند حالت قبل، بسته به سرعت مایع، شکل یک جریان چند فازی مایع-جامد تغییر می‌کند. ابعاد، شکل، وزن و تعداد ذرات جامد در مستقیما روی خصوصیات این نوع جریان هم تأثیر گذار است. محاسبه ضریب درگ فاز جامد نیز همچنان یکی از چالشهای اینگونه جریان‌هاست.

به دلیل شباهت فیزیکی بسیار زیاد جریان‌های چندفازی گاز-جامد و مایع-جامد، حالت‌های مختلف این نوع جریان‌ها همراه با اثرات ابعاد ذرات جامد در شکل جریان در شکل زیر به روشنی نشان داده شده است.

در مورد مهمترین مسائل درگیر با جریان‌های چندفازی مایع گاز می‌توان از ته‌نشینی (Sedimentation)، انتقال هیدرودینامیکی ( Hydrotransport) و جریان‌های دوغابی (Slurry flow) نام برد.

نرم افزارهای CFD و شبیه سازی میدان‌های جریان‌های چند فازی 

دو نرم افزار Ansys Fluent و Ansys CFX نسبت به سایر نرم افزارهای CFD، از بیشترین قابلیت‌ها و گزینه‌های مناسب برای حل میدان‌های جریان‌های چند فازی برخوردار هستند. هر دو نرم افزار قابلیت شبیه سازی جریانهای چندفازی امتزاجی (اختلاط شده در هم و بدون مرزهای مشخص) و غیر امتزاجی (جدا از هم و با مرزهای مشخص) در کنار تراکم‌پذیری فازهای گاز را دارا هستند. نکته مهم در این دو نرم افزار ادبیات متفاوت آن‌ها در تعریف و تنظیمات مسائل جریان‌های چند فازی است که در اینجا معرفی خواهد شد.

نرم افزار Fluent

در نرم افزار Ansys Fluent، بسته به نوع حلگر فشار مبنا (Pressure Based) یا چگالی مبنا (Density Based) مدل‌های بکار رفته برای شبیه سازی جریان‌های چند فازی متفاوت است. در حلگر فشار مبنا با انتخاب گزینه Multiphase در Setting Up Physics/Models با سه گزینه Volume Of Fluid (VOF)، Mixture و Eulerian مواجه می‌شویم که هر کدام برای پدیده‌های فیزیکی همراه با دقت مشخص به کار می‌روند. البته در هر سه مدل یاد شده تک تک فازها باید پیوسته باشند و امکان شبیه سازی یک فاز گسسته در این مدل‌ها وجود ندارد. هر سه مدل توانایی شبیه سازی انتقال جرم بین فازهای مختلف را دارند. و به عنوان آخرین نکته، برای هر سه مدل یاد شده شبیه سازی تراکم پذیری فازهای مایع (بدون محدودیت) و گاز (تنها یک فاز)، امکان پذیر است. اما در حلگر چگالی مبنا با فراخوانی گزینه Multiphase در Setting Up Physics/Models تنها قادر به انتخاب مدل Wet Steam خواهیم بود که کاربردش مشخص و تنها برای توربین‌های بخار می‌باشد. تا اینجا مدل‌های معرفی شده بر اساس دیدگاه اویلری-اویلری برای حل میدان جریان توسعه یافته‌اند. تنها مدل شبیه سازی جریان‌های چند فازی بر اساس دیدگاه اویلری-لاگرانژی، مدل فاز گسسته Discrete Phase Model:DPM می‌باشد که در هر دو حلگر فشار مبنا و چگالی مبنا قابل استفاده است.

مدل Volume Of Fuid:VOF در نرم افزار Fluent

مدل VOF بهترین و ساده ترین مدل مناسب برای تعیین مرز مشترک بین فازهای جریان چندفازی است. در واقع این مدل یک مدل Volume Tracking بوده که بر اساس مدل قدیمی‌تر Marker and cell: MAC که یک مدل Surface-tracking می‌باشد، توسعه یافته است. در مدل VOF یک دسته معادلات ممنتم بطور مشترک برای تمامی فازها، و برای هر فاز یک معادله کسر حجمی -که از جنس معادله پیوستگی می‌باشد- حل می‌شود. با افزوده شدن قابلیت استفاده از مدل Level Set همراه با VOF در قسمت (Coupled Level Set+VOF) در نسخه‌های جدید نرم افزار Fluent (شکل زیر) امکان شبیه‌سازی هرچه دقیقتر مرز بین فازها فراهم شده است. در واقع VOF برای ردیابی و تعیین مرز بین فازها طراحی و توسعه یافته و می‌توان گفت که از این مدل بطور مشخص برای شبیه سازی جریان‌های چندفازی غیر امتزاجی (Immiscible) و برخوردهار از مرزهای مشخص بین فازها، استفاده می‌شود. بنابراین جریان‌هایی نظیر جریان‌های سطح آزاد (Free Surface)، پرشدن (Filling)، تلاطم (Sloshing)، شکست سد (Dam Break)، فرو ریزش جت (Jet BreakUp)، حرکت حبابهای بزرگ در مایعات از جمله جریان‌هایی هستند که با استفاده از مدل VOF می‌توانند شبیه سازی شوند.

ذکر این نکته ضروریست که استفاده از VOF با محدودیت‌هایی نیز همراه است که از مهمترین آن‌ها می‌توان به موارد عدم سازگاری با حلگر چگالی مبنا، شبیه سازی جریان‌های پریودیک Streamwize، مدل‌های احتراقی non premixed، Partially Premixed، Premixed و همچنین عدم سازگاری با شبکه‌های چند وجهی (Polyhedral) در هنگام استفاده از مدل Level Set اشاره نمود. همچنین در این مدل امکان شبیه سازی فاز جامد وجود ندارد.

مدل Mixture

مدل Mixture یک مدل ساده برای شبیه‌سازی جریان‌های چندفازی امتزاجی (Missible) که مرز مشخصی بین فازهای جریان وجود ندارد، می‌باشد. تمامی فازهای گاز، مایع و جامد در این مدل قابل شبیه سازی هستند. در استفاده از این مدل فازها می‌توانند سرعت‌های نسبی متفاوت و البته زیادی با یکدیگر داشته باشند. در حالیکه مدل VOF یک معادله مومنتم و یک معادله انرژی برای تمام فازها و یک معادله کسر حجمی برای هریک از فازها حل می‌کند، در این مدل یک معادله پیوستگی، یک معادله مومنتم و یک معادله انرژی برای ترکیب فازها، یک معادله کسر حجمی برای هر یک از فازهای ثانویه و یک معادله جبری برای سرعت نسبی حل می‌شود. رسوب/ته نشینی، جداکننده‌های گردبادی (Cyclone Separators)، جریان‌های Particle-Laden با بارگذاری اندک و جریان‌های حباب‌داری که در آن کسر حجمی گازها اندک باقی بماند، از جمله مسائلی هستند که با استفاده از مدل مذکور شبیه سازی می‌شوند.

از مهمترین محدودیت‌های موجود در این مدل می‌توان از مواردی مثل عدم سازگاری با حلگر چگالی مبنا، شبیه سازی جریان‌های پریودیک Streamwize، مدل‌های احتراقی non premixed، Partially Premixed، Premixed، شبیه سازی انجماد و ذوب (Solidification & Melting) ، شبیه سازی جریان‌های غیر لزج و همچنین مدل آشفتگی LES (در صورت استفاده از مدل کاویتاسیون Singal et al) نام برد.

مدل Eulerian

مدل Eulerian نیز همانند مدل Mixture توانایی شبیه سازی هر سه فاز گاز، مایع و جامد را داشته و برای جریان‌های چندفازی امتزاجی که مرز مشخصی بین فازهای جریان وجود ندارد توسعه یافته است. در این مدل محدودیتی برای انتخاب تعداد فازها وجود ندارد و فقط ملاحظاتی مبنی بر حجم حافظه در دسترس برای محاسبات مطرح می‌باشد چرا که در این مدل معادلات پیوستگی، ممنتم و انرژی برای هرفاز بطور جداگانه حل می‌شود و تنها معادله فشار برای فازها مشترک است. به همین جهت توصیه می‌گردد اگر فازهای پراکنده بخش محدودی از دامنه حل را اشغال کرده باشند بهتر است از مدلEulerian استفاده گردد. در غیر اینصورت اگر توزیع گسترده‌ای از فازهای پراکنده داشته باشیم استفاده از مدل Mixture ارجحیت دارد. تمامی جریان‌های گاز-جامد، مایع-جامد، گاز مایع جامد و همچنین مایع-مایع امتزاجی را می‌توان با استفاده از این مدل شبیه سازی نمود.

عدم سازگاری با حلگر چگالی مبنا، شبیه سازی جریان‌های پریودیک Streamwize، مدل‌های احتراقی non premixed، Partially Premixed، Premixed، شبیه سازی انجماد و ذوب (Solidification & Melting)، شبیه سازی جریان‌های غیر لزج و همچنین مدل آشفتگی ریال RSM از مهمترین محدودیت‌های استفاده از این مدل هستند.

لازم به توضیح است در هر سه مدل VOF، Mixture و Eulerian گزینه‌های متعددی در رابطه با اندرکنش بین فازها وجود دارد که از مهمترین آن‌ها می‌توان به انتقال جرم، حرارت، کشش سطحی، واکنش، لیفت، درگ و غیره (شکل زیر) وجود دارد که بسته به مدل استفاده شده، رژیم جریان و دقت مطلوب، قابل دسترسی و تنظیم هستند.

مدل Wet Steam

در توربین‌های بخارطی انبساط سریع بخار، فرایند چگالش (Condensation) بلافاصله پس از عبور از حالت بخار اشباع آغاز خواهد شد، بنابراین شاهد جریان دوفازی متشکل از بخار اشباع و قطرات ریز آب، با عنوان بخار مرطوب (Wet Steam) خواهیم بود. مدلسازی این پدیده (بخار مرطوب) در تحلیل و طراحی توربین‌های بخار بسیار مهم است چراکه وجود و افزایش آن موجب بروز و افزاریش خورد‌ه‌گی پره‎های توربین در مراحل (Stages) گشته و همچنین کاهش راندمان آئرودینامیکی آن‌ها را به دنبال خواهد داشت. نرم افزار Fluent با ارائه راهکاری مبنی بر دیدگاه اویلری-اویلری، مدل Wet Steam را برای شبیه‌سازی بخار مرطوب در توربین‌های بخار توسعه داده است. در این روش جریان با استفاده از معادلات ناویر-استوکس تراکم‌پذیر بعلاوه دو معاله انتقال برای محاسبه کسر حجمی گاز-مایع و تعداد قطرات مایع بر واحد حجم مدلسازی می‌گردد. تنظیمات در این مدل با استفاده از UDF انجام می‌شود و بطور مستقیم در پانل مربوطه (شکل زیر) نمی‌توان آن‌را انجام داد.

در هنگام استفاده از مدل Wet Steam امکان بهره گیری از حلگر فشار مبنا و همچنین پانل Material در تعیین خواص مواد وجود ندارد. درصورتیکه جنس دیواره‌ها در شبیه سازی مهم باشد لازمست قبل از انتخاب مدل Wet Steam، مواد مورد نظر در پانل Material تعریف شود. همچنین این مدل تنها با شرایط مرزی Pressure-Inlet و Mass-Flow-Inlet برای ورودی و Pressure-Outlet برای خروجی جریان سازگار است.

مدل فاز گسسته (Discrete Phase Model: DPM)

در دسته‌ای از جریان‌های چندفازی فاز اصلی یا اولیه بصورت مایع یا گاز و فاز(های) ثانویه بصورت ذرات و قطرات پراکنده می‌باشند. نکته مهم در این نوع جریان‌ها اینست که فاز(های) ثانویه پیوسته نبوده و در واقع گسسته و پراکنده می‌باشد. این نوع جریان‌ها معمولا با دیدگاه اویلری-لاگرانژی شبیه سازی می‌شوند. در دیدگاه اویلری لاگرانژی، فاز پیوسته جریان با حل معادلات ناویراستوکس و با متوسط گیری زمانی شبیه سازی می‌شود. اما فاز گسسته با ردیابی مسیر حرکت تعداد زیادی از ذرات، حباب یا قطرات در داخل میدان جریان حل می‌شود. فاز پراکنده می‌تواند جرم، مومنتوم و انرژی را با فاز اصلی تبادل کند (شکل زیر). اصلی‌ترین فرض در این روش این است که فاز ثانویه باید دارای کسر حجمی کمی (کمتر از 10 درصد از حجم سیال) را در بر بگیرد اما محدودیتی در دبی جرمی آن وجود ندارد حتی اگر دبی جرمی فاز ثانویه بیشتر از دبی جرمی سیال باشد.

مدل DPM براساس مبانی یاد شده در بالا شکل گرفته است. خشک‌کن‌های اسپری، احتراق سوخت مایع و جریان‌های حاوی ذرات از جمله مسائل مهندسی هستند که با استفاده از مدل DPM قابل شبیه‌سازی می‌باشند. همچنین همانطور که در بالا به آن اشاره شد این مدل را می‌توان در دو حلگر فشار مبنا و چگالی مبنا استفاده نمود.

در استفاده از این مدل لازمست خصوصیات ذرات یا قطرات را مشخص کنید. مشخصات یاد شده در پانل ُSet Injection Properties (شکل زیر) قابل تعیین است. فاز(های) گسسته می‌تواند (می‌توانند) شامل ذرات، ذرات بدون جرم، قطرات، مواد محترقه (Combusting) و یا ترکیبی از چند مؤلفه (MultiComponent) باشد (باشند).

لازم به توضیح است محدودیت خاصی در رابطه با استفاده از مدل DPM وجود ندارد و این مدل تقریبا با تمامی قابلیت‌ها و مدل‌های موجود در نرم افزار Fluent سازگار است.

نرم افزار CFX

نرم افزار Ansys CFX از مدل‌های متنوعی برای انواع جریان‌های چند فازی متشکل از ذرات، قطرات، حباب‌ها و سطوح آزاد برخوردار است. همانند نرم افزار Fluent تقریبا تمامی جریان‌های چند فازی اشاره شده در ابتدای این صفحه، را می‌توان با استفاده از CFX نیز شبیه سازی نمود. البته ادبیات اپراتور نرم افزاری بکار رفته در این نرم افزار متفاوت با نرم افزار Fluent می‌باشد بدیهی است که ادبیات تئوری و فنی آن‌ها مشابه یکدیگر باشد. در نرم افزار CFX شما کافیست فیزیک جریان را مشخص کنید که چه نوع جریانی است و این نرم افزار مدل مناسب برای شبیه سازی آن را به کار می‌گیرد اما در نرم افزار Fluent شما لازمست با توجه به شناختی که از فیزیک مسئله دارید مدل مناسب را انتخاب نمایید که یکی از مدل‌های VOF، Mixture، Eulerian، Wet Steam و یا DPM می‌باشد.

برخلاف نرم افزار Fluent که در آن می‌توان با Patch کردن فضای اولیه اشغال شده توسط هر یک از فازها را مشخص نمود، برای استفاده از نرم افزار CFX لازمست ابتدا نواحی اشغال شده توسط هر یک از فازها را در ابتدا و در نرم افزارهای پیش پردازش مدلسازی و شبکه بندی شود و سپس هر یک از نواحی تعریف گردد که از چه نوع جریان سیالی برخوردار است (شکل زیر).

همانطور که در شکل بالا مشخص است هر دامنه یا ناحیه می‌تواند با عنوان یکی از مورفولوژی‌های (Continuous Fluid)، سیال پراکنده (Dispersed Fluid)، ذرات پراکنده (Dispersed Solid)، انتقال ذرات مایع(Particle Transport Fluid)، انتقال ذرات جامد (Particle Transport Solid)، قطرات (Droplets (Phase Change و همچنین Polydispersed Fluid تعریف شود. از Continuous Fluid برای تعریف سیالات پیوسته برای فاز اصلی یا فاز ثانویه مثل حالت جریان سطح آزاد استفاده می‌شود. همچنین درصورت استفاده از مدل Mixture در این نرم افزار لازمست که همه فازها اعم از اصلی و ثانویه بصورت Continuoud Fluid تعریف شوند.

سیال پراکنده یا همان Dispersed ّFluid برای تعریف فاز(های) ثانویه متشکل از سیال (مایع یا گاز) استفاده می‌شود که با فاز اصلی مخلوط شده است و یک جریان امتزاجی را تشکیل میدهد که مرز مشخصی بین فازهای آن وجود ندارد.

ذرات پراکنده یا همان Dispersed ّSolid برای تعریف فاز(های) ثانویه متشکل از ذرات جامد استفاده می‌شود که با فاز اصلی مخلوط شده است و یک جریان امتزاجی را تشکیل میدهد که مرز مشخصی بین فازهای آن وجود ندارد.

اگر قطرات و یا حباب‌های ریز را که به عنوان فاز ثانویه در جریان می‌باشند به عنوان ذرات در نظر گرفته شوند آنگاه برای شبیه سازی این نوع جریان در نرم افزار CFX، لازمست گزینه particle Transport Fluid انتخاب شود.

اگر فاز(های) ثانویه ذرات جامد در نظر گرفته شوند آنگاه برای شبیه سازی این نوع جریان در نرم افزار CFX، از گزینه particle Transport Solid استفاده می‌شود. لازم به ذکر است در حال حاضر (نسخه 18.1 نرم افزار CFX) هر دو مدل Particle Transport Solid و Particle Transport Fluid پاسخ‌های یکسانی می‌دهند چراکه از یک قانون درگ برای محاسبه ضرایب درگ قطرات مایع، حباب‌های گاز و ذرات جامد استفاده می‌کنند.

گزینه Polydispersed Fluid معرف جریان‌هایی که از فازهای مستقر در نواحی گسسته و با ابعاد مختف هستند، می‌باشد. معمولا این مورفولوژی برای شبیه‌سازی حباب‌های هوا (گاز) با ابعاد مختلف در آب(مایع) استفاده می‌شود.

گزینه Droplet: Phase Change هنگام بکار گیری از مدل چگالش قطره (Droplet Condensation Model) انتخاب می‌شود. مدل چگالش قطره برای شبیه‌سازی تغییر شکل بخار آب به آب و برعکس و همنین بخارات مرطوب مورد استفاده قرار می‌گیرد. از مهمترین کاربردهای معمول این مدل می‌توان به شبیه‌سازی توربین‌های بخار کم فشار اشاره کرد. Droplet Condensation Model در نرم افزار CFX را می‌توان تا حدودی معادل با Wet Steam Model نرم افزار Fluent در نظر گرفت.

پس از انتخاب فازها بصورت یکی از مورفولوژی‌های معرفی شده، لازمست اندرکنش بین فازها نیز در پانل Fluid Pair Models (شکل بالا)مشخص گردد. یکی از این موارد Mass Interface می‌باشد که در آن می‌توان کاویتاسیون را تعریف نمود. البته خود کاویتاسیون نیز پارامترهای متعددی دارد که می‌توان آن را تغییر داد و یا اینکه از همان پیش فرض خود نرم افزار استفاده نمود.

.

بازگشت

مطالب مرتبط

مدلسازی جریان چندفازی با استفاده از روش VOF

مدلسازی جریان چندفازی با استفاده از روش Mixture

مدلسازی جریان چندفازی با استفاده از روش Eulerian

مدل فاز گسسته (Discrete Phase Model (DPM

برای کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید

محمدرضا کلیچ