CFD برای جریان دو فازی، شبیه سازی پانسمان ایتالیایی اعمال شد
این واقعیت که روغن و آب با هم مخلوط نمی شوند چیزی است که احتمالاً همه شما با آن آشنا هستید. به احتمال زیاد متوجه شده اید که وقتی یک بطری سس سالاد ایتالیایی را تکان می دهید، و مایعات به طور لحظه ای مخلوط می شوند، به احتمال زیاد متوجه شده اید که چه اتفاقی می افتد، و با بالا آمدن حباب های روغن به سطح، ظرف چند ثانیه دوباره از هم جدا می شوند. ایجاد یک شبیهسازی که نحوه تعامل این دو سیال غیرقابل امتزاج را توصیف میکند، یک راه عالی برای معرفی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) اعمال شده در جریان دو فازی است.
شکل 1: مخلوطی از دو مایع غیرقابل اختلاط – روغن
و آب – که موقعیت اولیه
حباب نفت به دام افتاده در آب را نشان می دهد.
مایعات غیر قابل اختلاط چیست؟
قبل از اینکه وارد شبیه سازی شویم، بیایید مطمئن شویم که برخی از فیزیک های موجود را درک کرده ایم. اول از همه، مایعات غیر قابل اختلاط چیست؟ مایعات غیر قابل امتزاج دو یا چند مایع هستند که قادر به مخلوط شدن با یکدیگر نیستند. این به این دلیل رخ می دهد که مولکول هایی که مایعات را می سازند با انواع مختلفی از پیوندهای شیمیایی مشخص می شوند. در مورد نفت و آب، آب یک مولکول قطبی است، در حالی که روغن یک مولکول غیرقطبی است و بنابراین این دو ماده قادر به مخلوط شدن نیستند. ریختن مایعات در کنار هم منجر به دو فاز مجزا می شود که توسط یک رابط کاملاً مشخص از هم جدا شده اند .
از طرف دیگر، مایعات قابل امتزاج با هم مخلوط می شوند و یک فاز مایع واحد را تشکیل می دهند که هیچ رابطی بین آنها قابل مشاهده نیست. این بین مایعاتی با قطبیت مشابه اتفاق می افتد.
برای ادامه استفاده از سس سالاد ایتالیایی به عنوان مثال، ما ترکیبی از دو نوع مایع داریم: غیر قابل اختلاط و امتزاج پذیر. سس معمولی ایتالیایی حاوی سرکه، آب، آب لیمو و روغن است. سه ماده اول دارای مولکول های قطبی هستند و بنابراین قابل اختلاط هستند. از آنجایی که روغن غیرقطبی است، مواد قطبی با هم مخلوط می شوند و در نتیجه مخلوطی غیرقابل اختلاط با روغن ایجاد می شود – محتویات بطری پانسمان شامل جریان دو فازی است. اگر به آن زمان کافی بدهیم و شبیه سازی بتواند آن را محاسبه کند، فاز سبک تر (روغن در مورد ما) به سمت بالا افزایش می یابد، در حالی که فاز متراکم تر در پایین قرار می گیرد. به همین دلیل است که همیشه باید بطری سس را قبل از ریختن روی سالاد خود تکان دهیم (ما یک سس ایتالیایی تک فاز و روغنی نمی خواهیم!).
مدلسازی جریان دو فاز با استفاده از CFD
با استفاده از COMSOL Multiphysics در ترکیب با ماژول CFD، میتوانیم شبیهسازی دو مایع غیرقابل اختلاط – به عنوان مثال نفت و آب – را تشریح کنیم و سپس اندازهگیری کنیم که چگونه رابط جداکننده شکل خود را در زمان تغییر میدهد، زیرا اثرات شناوری باعث بالا آمدن حباب نفت از طریق حباب میشود. اب. شما می توانید این مدل را با پیروی از دستورالعمل های گام به گام همراه با مدل Rising Bubble موجود در گالری مدل، راه اندازی و حل کنید.
در ابتدای شبیه سازی، سه حوزه مختلف وجود دارد که باید نشان داده شوند: فاز روغن، فاز آب، و حباب نفت غوطه ور در فاز آب (شکل 2 را ببینید). در شبیه سازی ما، فاز روغن دارای ویسکوزیته 0.0208 Pa·s و چگالی 879 kg/m3 و فاز آب دارای ویسکوزیته 1.01·10-3 Pa ·s و چگالی 1000 kg/m3 است . با ماژول CFD، می توانیم از روش تنظیم سطح یا روش میدان فاز استفاده کنیمبرای مدلسازی تغییرات توپولوژی به دلیل حرکت سطح مشترک به عنوان حباب از فاز آب بالا میرود و سپس دوباره با فاز روغن ادغام میشود. وقتی مدل را تنظیم می کنیم و روش تنظیم سطح را انتخاب می کنیم، دو مرحله مطالعه به طور خودکار ایجاد می شود. یکی تابع مجموعه سطح را مقدار دهی اولیه می کند و دومی معادلات ناویر-استوکس را برای یک مسئله جریان دو فازی حل می کند که در آن حمل و نقل جرم، انتقال تکانه، نیروهای کشش سطحی و حرکت رابط در نظر گرفته شده است.
در ابتدای شبیه سازی، شکل حباب به دلیل کشش سطحی حباب و ویسکوزیته بالای روغن، با بالا رفتن کروی باقی می ماند. مسیر حرکت حباب هنگام حرکت در آب در تصاویر زیر قابل مشاهده است که آبی فاز آب و قرمز فاز روغن است. از آنجایی که مشکل متقارن محوری است، میتوانیم آن را با استفاده از هندسه متقارن محوری شبیهسازی کنیم تا در زمان محاسبات صرفهجویی کنیم و در عین حال نتایج دقیقی تولید کنیم.
شکل 2: عکس های فوری که رابط را قبل و بلافاصله بعد از
برخورد حباب به سطح نشان می دهد.
هنگامی که حباب به سطح فاز آب می رسد، با روغن ادغام می شود و امواجی را در سطح فاز آب ایجاد می کند. این امواج را می توانید در تصاویر زیر مشاهده کنید:
شکل 3: عکس های فوری که رابط را پس از ادغام حباب
با روغن بالا نشان می دهد.
یک راه برای بررسی دقیق بودن نتایج عددی، بررسی بقای جرم در مدل است. از آنجایی که هیچ جریانی از مرزها وجود ندارد، جرم کل نفت و آب باید در طول شبیه سازی ثابت باشد. این را می توان به راحتی با استفاده از قابلیت های COMSOL Multiphysics برای تعیین تغییر جرم کل در طول زمان محاسبه کرد. برای این شبیه سازی، نتایج در نمودار زیر نشان داده شده است.
شکل 4: جرم کل روغن به عنوان تابعی از زمان. مجموع
از دست دادن جرم در طول شبیه سازی کمتر از 0.2٪ است.
همانطور که در نمودار می بینید، کل جرم از دست رفته در طول شبیه سازی کمتر از 0.2٪ است که نشان می دهد دقت نتایج عددی خوب است.
مدل را دانلود کنید
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید