مدل فیلم-دیواره در DPM
Wall-Film Model Theory in DPM
مدل فیلم-دیواره (Wall-Film) در DPM به منظور شبیه سازی تغییر شکل‌های مختلف قطره پس از برخورد با دیواره تحت شرایط مختلف توسعه یافته است. نرم افزار Ansys Fluent نیز از شرایط مرزی خاصی برای شبیه سازی برخورد قطرات مایع با دیواره‌ها و تشکیل لایه‌های نازک برخوردار است. این مدل بطور ویژه برای شبیه‌سازی جریان در موتورهای احتراق داخلی توسعه یافته است. مدل مذکور از ذرات لاگرانژی برای گسسته‌سازی (Discretization) اثرات فیزیکی استفاده می‌کند که برای پدیده‌های بشدت گذرا مناسب است. علاوه بر این یک مدل فیلم دیواره اویلری وجود دارد که می‌تواند با فیلم دیواره ثابت در تعامل باشد.
کاربرد در موتورهای تزریق غیر مستقیم
اندرکنش اسپری-دیوار بخش مهمی از فرآیند اختلاط در موتورهای تزریق غیر مستقیم (Port Fuel Injected: PFI) را به خود اختصاص داده است. برخورد اسپری سوخت با سطح معمولا در درگاه ورودی از جمله دریچه و سوپاپ‌های ورودی اتفاق می‌افتد. جائیکه سوخت از طریق انژکتور پاشیده شده و متعاقبا بخار می‌شود. سوخت تبخیر شده در درون سیلندر موتور انتشار یافته و در آنجا با هوای تازه و یا حتی با گازهای باقیمانده از احتراق قبلی ترکیب می‌گردد. ترکیبی که فشرد و سوزانده می‌شود. در نهایت گازهای حاصل از اگزوز خارج می‌شود. فرآیندی که بسته به مأموریت و فناوری موتور بین 200 تا 8000 بار در دقیقه تکرار می‌شود.
در موتورهای پاشش غیر مستقیم با انژکتور پورت، به دلیل تشکیل یک فیلم بر روی سطح سیلندر، چندین چرخه سوخت در مجاری ورودی باقی می‌مانند. این مهم باعث می‌شود تا بحث فیلم سوخت روی دیواره در انتشار هیدروکربن‌ها برای موتورهای PFI حائز اهمیت باشد.
کاربرد در موتورهای تزریق مستقیم
امکان تشکیل فیلم در داخل محفظه‌های احتراق از نوع تزریق مستقیم (Direct Injection: DI) نیز وجود دارد. در یک موتور تزریق مستقیم، سوخت مستقیما به محفظه احتراق تزریق شده و بسته به اینکه در ابتدا یا انتهای چرخه احتراق رخ دهد کیفیت برخوردی متفاوتی با سطح پیستون و سیلندر خواهد داشت. مدلسازی فیلم دیواره درون یک موتور DI به ویژه در موتورهای دیزلی با وجود رسوبات کربنی بر روی سطوح پیچیده است. رسوبات کربنی در حالیکه به فیلم دیواره نفوذ می‌کنند لایه مایع را نیز جذب می‌کنند. اعتقاد بر اینست که رسوبات کربن در اواخر چرخه، سوخت را جذب می‌کنند. به هر صورت این پدیده بسیار پیچیده بوده و هنوز به خوبی درک نشده است.
سایر کاربردها
علاوه بر موارد فوق، تشکیل فیلم دیواره فاکتور مهمی برای کاهش کاتالیست انتخابی (Selective Catalytic Reduction: SCR ) در فرآیند تصفیه گارهای خروجی در پروسه عمل آوری (After-Treatment Process) از موتور می‌باشد. سیستم SCR اکسیدهای نیتروژن با آمونیاک یک فناوری پیشرفته برای اخذ استانداردهای دقیق انتشار NOX در سراسر جهان است. طراحان این سیستم با چندین چالش فنی نظیر لغزش (Slip) آمونیاک، تبلور اوره، رسوبات دمای پایین و سایر مشکلات احتمالی روبرو هستند. بدون لحاظ کردن پدیده تشکیل فیلم دیواره در مدلسازی SCR، خطاهای بزرگ و قابل توجهی در پیش‌بینی‌های NOX پدید می‌آید.
در نهایت مدلسازی فیلم دیواره نقش مهمی در شبیه‌سازی خنک کاری توربین‌های گازی و تجهیزات الکترونیکی بازی می‌کند.
مدل‌های DPM از مدل فیلم دیواره استفاده می‌کنند. مدل فیلم دیواره در نرم افزار Fluent اجازه می‌دهد تا یک قطره به سطح دیواره برخورد کرده و یک لایه نازک را تشکیل دهد. اندرکنش برخورد قطره با دیواره، رصد قطره پس از برخورد با دیواره، محاسبه متغیرهای فیلم و کوپل شدن با فاز گاز چهار زیر مجموعه اصلی در مدل فیلم دیواره به شمار می‌رود. شکل ابتدای صفحه مکانیزم‌های اصلی لحاظ شده در مدل فیلم دیواره را نشان می‌دهد.
مهمترین مفروضات و محدودیت‌های مدل فیلم-دیواره (Wall-Film) در DPM عبارتند از:
- شبیه‌سازی لایه‌های بسیار نازک با ضخامت حداکثر 500 میکرون؛ این محدودیت بخاطر فرض پروفیل خطی سرعت در فیلم می‌باشد.
- تغییرات دمایی در فیلم مایع اندک است بطوریکه یک روش انتگرال گیری تحلیلی قابل استفاده باشد.
- دمای فیلم هیچگاه از دمای جوش قطرات مایع بیشتر نمی‌شود.
اگر بخواهید یک اسپری در برخورد با یک دیواره بسیار داغ را مدل کنید، استفاده از مدل جت-دیواره مناسب‌تر است! چراکه این مدل فرض می‌کند که در زیر قطره‌ها یک لایه بخار وجود دارد که آن‌ها را از تماس مستقیم با دیواره باز می‌دارد. این مدل ممکن است فرض دقیق‌تری برای محاسبات درون سیلندرهای موتورهای دیزل در شرایط کاری معمول باشد.
دمای لیدنفراست (Leidenfrost Temperature)
اندرکنش قطره و دیواره در زمان برخورد
معادلات بقاء برای ذرات فیلم-دیواره
مطالب مرتبط