 |
افزایش قطرات از طریق تعلیق
معرفی
این مثال یک قطره روغن را شبیه سازی می کند که از طریق یک سوسپانسیون بالا می رود. تعلیق در ابتدا طبقه بندی شده است، با یک لایه متراکم بین دو لایه شفاف. قطره ابتدا در لایه شفاف پایینی قرار دارد و از لایه های مختلف تعلیق شروع به بالا رفتن می کند. ذرات موجود در سوسپانسیون شروع به رسوب به سمت پایین حوزه جریان می کنند، در حالی که کسری از آنها نیز همراه با قطره بالا کشیده می شوند. رابط بین قطره و سوسپانسیون با استفاده از روش تنظیم سطح ردیابی می شود، در حالی که ذرات در تعلیق با استفاده از مدل مخلوط چند فازی پراکنده ردیابی می شوند.
تعریف مدل
دامنه جریان یک استوانه با قطر 4 سانتی متر و ارتفاع 9 سانتی متر است. قطره کروی با قطر 1 سانتی متر در ابتدا 0.5 سانتی متر از پایین دامنه قرار دارد. لایه متراکم تعلیق در ابتدا بین 3 تا 5 سانتی متر از پایین دامنه جریان قرار دارد. جریان به صورت محوری متقارن فرض می شود. برای نمایش گرافیکی هندسه به شکل 1 زیر مراجعه کنید .
شکل 1: مقطع هندسه مدل متقارن محوری، با مرزهای داخلی نشان دهنده توزیع اولیه فازهای مختلف است.
میدان جریان در تعلیق و قطره با استفاده از رابط چندفیزیکی جریان دو فاز، مجموعه سطح، رابط چندفیزیکی جریان آرام همراه با رابط انتقال فاز و کوپلینگ چندفیزیکی مدل مخلوط محاسبه می‌شود.
گره کوپلینگ چندفیزیکی مدل مخلوط از میدان جریان از رابط جریان آرام برای محاسبه سرعت لغزش و میدان سرعت فاز پراکنده استفاده می کند. این میدان سرعت فاز پراکنده سپس به رابط فاز انتقال داده می‌شود، جایی که از آن برای محاسبه تکامل توزیع ذرات در تعلیق استفاده می‌شود.
این سوسپانسیون از آب با ذرات با قطر 1 میلی متر و چگالی 1100 کیلوگرم بر متر مکعب تشکیل شده است . چگالی و ویسکوزیته فازهای روغن و آب از مواد روغن ترانسفورماتور و مواد مایع آب از پایگاه داده مواد COMSOL گرفته شده است. کسر حجمی اولیه ذرات در لایه متراکم اولیه سوسپانسیون 0.5 است.
نتایج و بحث
در شکل 2 کسر حجمی فاز روغن در لحظات مختلف در زمان رسم شده است. از آنجایی که فاز روغن سبک تر از فاز آب اطراف است، قطرات روغن از طریق سوسپانسیون شروع به بالا رفتن می کند. پس از یک مرحله راه اندازی اولیه، با سرعت کم و بیش ثابتی به سمت بالا حرکت می کند تا زمانی که تقریباً پس از 0.9 ثانیه، قطره روغن به طور کامل حوزه جریان را از مرز خروجی بالایی خارج کند. همچنین مشاهده می شود که شکل قطره از کره اولیه به شکلی صاف تر تغییر می کند.
شکل 2: کسر حجمی فاز روغن برای (از چپ به راست) به ترتیب t=0s، t=0.15s، t=0.3s، t=0.45s، t=0.6s و t=0.75s. پس از حدود 0.9 ثانیه قطره به طور کامل دامنه جریان را ترک کرده است.
در شکل 3 کسر حجمی ذرات موجود در سوسپانسیون در لحظات مختلف زمان رسم شده است. از آنجایی که ذرات معلق سنگین تر از فاز آب اطراف هستند، شروع به رسوب به سمت پایین می کنند. ذرات در مرز پایین لایه متراکم، که در یک لایه آب شفاف قرار می گیرند، سریعتر از ذرات در بالا و داخل لایه متراکم به سمت پایین حرکت می کنند، که توسط ذرات اطراف مانع می شوند. این باعث ایجاد یک فن نادر در پایین لایه متراکم می شود که به وضوح در نمودار برای t دیده می شود. = 0.3 ثانیه و نمونه های زمانی بعدی. با این حال، در همان نمودارها، می توان دید که قطره بالارونده ذرات را به کناری می راند، و همچنین در امتداد کسری از ذرات به سمت بالا می کشد (نقشه ها را برای نمونه های زمانی بعدی ببینید)، حتی تا بالای صفحه دامنه جریان نمودار آخر (برای t = 1.5 ثانیه) همچنین نشان می دهد که فرآیند ته نشینی شروع به تشکیل یک لایه متراکم تر نازک در پایین حوزه جریان کرده است.
شکل 3: کسر حجمی ذرات موجود در سوسپانسیون به ترتیب (از چپ به راست) t=0 s، t=0.3 s، t=0.6 s، t=0.9 s، t=1.2 و t=1.5 s. .
مسیر کتابخانه برنامه: CFD_Module/Multiphase_Flow/droplet_suspension
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  2D Axismetric کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Fluid Flow > Multiphase Flow > Two-Phase Flow، Level Set > Laminar Flow را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 | در درخت Select Physics ، Fluid Flow>Multiphase Flow>Phase Transport>Phase Transport (phtr) را انتخاب کنید . |
5 | روی افزودن کلیک کنید . |
6 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
7 | در درخت انتخاب مطالعه ، از پیش تعیین شده مطالعات برای انتخاب چندفیزیکی> وابسته به زمان با شروع فاز را انتخاب کنید . |
8 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
مستطیل 1 (r1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، 0.02 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، 0.09 را تایپ کنید . |
5 | برای گسترش بخش لایه ها کلیک کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام لایه | ضخامت (متر) |
لایه 1 | 0.03 |
لایه 2 | 0.02 |
دایره 1 (c1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Circle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دایره ، بخش اندازه و شکل را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Radius ، 0.005 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت نوشتار زاویه بخش ، 180 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن z ، 0.01 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Rotation Angle را پیدا کنید . در قسمت متن چرخش ، -90 را تایپ کنید . |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Water, liquid را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در درخت، Liquids and Gases>Liquids>Transformer oil را انتخاب کنید . |
6 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
7 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
روغن ترانسفورماتور (mat2)
فقط دامنه 2 را انتخاب کنید.
چند فیزیک
مخلوط مدل 1 (mfmm1)
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Multiphysics Couplings کلیک کنید و Domain>Mixture Model را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مدل مخلوط ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
جریان آرام (SPF)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Laminar Flow (spf) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جریان آرام بخش Physical Model را پیدا کنید . |
3 | چک باکس Include gravity را انتخاب کنید . |
خروجی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Outlet را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 10 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات خروجی ، بخش شرایط فشار را پیدا کنید . |
4 | چک باکس Suppress backflow را پاک کنید . |
مجموعه سطح (LS)
مقادیر اولیه، سیال 2
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)> Level Set (ls) روی Initial Values, Fluid 2 کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
باز کردن مرز 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Open Boundary را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 10 را انتخاب کنید. |
انتقال فاز (PHTR)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Phase Transport (phtr) کلیک کنید . |
2 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Open Boundary را انتخاب کنید . |
باز کردن مرز 1
فقط مرز 10 را انتخاب کنید.
مقادیر اولیه 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و مقادیر اولیه را انتخاب کنید . |
2 | فقط دامنه 3 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای مقادیر اولیه ، قسمت مقادیر اولیه را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متنی s 0,s2 ، 0.5 را تایپ کنید . |
چند فیزیک
جریان دو فاز، مجموعه سطح 1 (tpf1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Multiphysics روی دو فاز جریان، مجموعه سطح 1 (tpf1) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جریان دو فاز ، مجموعه سطح ، قسمت ویژگی های سیال 1 را پیدا کنید . |
3 | از لیست ρ 1 ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، mfmm1.rho را تایپ کنید . |
4 | از لیست μ 1 ، ویسکوزیته دینامیکی ، مخلوط (mfmm1) را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Fluid 2 Properties را پیدا کنید . از لیست Fluid 2 ، روغن ترانسفورماتور (mat2) را انتخاب کنید . |
6 | قسمت Surface Tension را پیدا کنید . تیک گزینه Include level stress force in momentum equation را انتخاب کنید . |
7 | از لیست ضریب کشش سطحی ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن σ ، 3.2e-2[N/m] را تایپ کنید . |
دیوار خیس شده 1 (ww1)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Wetted Wall 1 (ww1) کلیک کنید . |
2 | فقط مرزهای 2 و 11-13 را انتخاب کنید. |
مخلوط مدل 1 (mfmm1)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Mixture Model 1 (mfmm1) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مدل مخلوط ، بخش Physical Model را پیدا کنید . |
3 | از لیست مدل Slip ، Schiller-Naumann را انتخاب کنید . |
4 | از لیست مدل ویسکوزیته مخلوط ، نوع کریگر را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Continuous Phase Properties را پیدا کنید . از لیست فاز پیوسته ، آب، مایع (mat1) را انتخاب کنید . |
6 | قسمت Dispersed Phase 2 Properties را پیدا کنید . از لیست ρ s2 ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، 1100[kg/m^3] را تایپ کنید . |
7 | در فیلد متنی slipvel 0,s2 ، 0.05[m^2/s^2] را تایپ کنید . |
مش 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مش ، قسمت Physics-Controlled Mesh را پیدا کنید . |
3 | از لیست اندازه عنصر ، Fine را انتخاب کنید . |
مطالعه 1
مرحله 2: وابسته به زمان
1 | در پنجره Model Builder ، در مطالعه 1 ، روی Step 2: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی زمان خروجی ، range(0,0.05,1.5) را تایپ کنید . |
راه حل 1 (sol1)
مراحل بعدی را برای تنظیم دستی دنباله حل کننده برای عملکرد بهتر انجام دهید. به طور خاص، مرحله زمانی اولیه سازی را از مقدار پیش فرض افزایش دهید زیرا مرحله زمانی اولیه در حال حاضر نسبتاً کوچک است. این کار مقداردهی اولیه را آسان تر می کند.
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show Default Solver کلیک کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، گره Solution 1 (sol1) را گسترش دهید ، سپس روی Time-Dependent Solver 1 کلیک کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای حل وابسته به زمان ، برای گسترش بخش Time Steping کلیک کنید . |
4 | زیربخش تنظیمات متغیر جبری را پیدا کنید . در قسمت کسری از مرحله اولیه برای قسمت متنی اویلر به عقب ، 0.1 را تایپ کنید . |
5 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
کسر حجمی سیال 1 (ls)
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش Results بر روی Volume Fraction of Fluid 1 (ls) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، برای گسترش بخش Plot Array کلیک کنید . |
3 | تیک گزینه Enable را انتخاب کنید . |
کانتور 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Volume Fraction of Fluid 1 (ls) را گسترش دهید . |
2 | روی Results>Volume Fraction of Fluid 1 (ls)>Contour 1 کلیک راست کرده و Delete را انتخاب کنید . |
3 | برای تایید روی Yes کلیک کنید . |
کسر حجمی سیال 1 (ls)
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش Results بر روی Volume Fraction of Fluid 1 (ls) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح دوبعدی ، برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . |
3 | از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . کادر بررسی لبه های مجموعه داده Plot را پاک کنید . |
5 |  روی Plot First کلیک کنید . |
سطح 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Surface 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Expression ، ls.Vf2 را تایپ کنید . |
سطح 2
1 | روی Results>Volume Fraction of Fluid 1 (ls)>Surface 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 1/راه حل 1 (sol1) را انتخاب کنید . |
4 | از لیست زمان (ها) ، 0.15 را انتخاب کنید . |
5 | برای گسترش بخش Inherit Style کلیک کنید . از لیست Plot ، Surface 1 را انتخاب کنید . |
تکثیر گره‌های Surface را تکرار کنید و زمان‌ها را برای ترسیم کسر حجمی در t=0s، t=0.15s، t=0.3s، t=0.45s، t=0.6s و t=0.75s مطابق شکل 2 تنظیم کنید .
کسر حجمی (phtr)
برای ایجاد نمودار در شکل 3 ، مراحل مشابهی را برای این گروه نمودار همانطور که در قسمت قبل توضیح داده شد انجام دهید.
کسر حجمی سیال 1 (ls) 1
آخرین مراحل دستورالعمل ها طرحی را ایجاد می کند که به عنوان تصویر کوچک مدل استفاده می شود.
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Volume Fraction of Fluid 1 (ls) 1 را گسترش دهید، سپس بر روی Volume Fraction of Fluid 1 (ls) 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست زمان (ها) ، 0.5 را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . کادر بررسی لبه های مجموعه داده Plot را پاک کنید . |
5 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
6 |  روی دکمه Show Axis Orientation در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
7 |  روی دکمه Show Legends در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
8 |  روی دکمه Show Grid در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
ایزورفیس 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Isosurface 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Isosurface ، بخش Coloring and Style را پیدا کنید . |
3 | از لیست رنگ ، سفارشی را انتخاب کنید . |
4 | در ویندوز، روی نوار رنگی زیر کلیک کنید، یا – اگر از دسکتاپ چند پلتفرمی استفاده می کنید – روی دکمه Color کلیک کنید. |
5 | روی تعریف رنگ های سفارشی کلیک کنید . |
6 | مقادیر RGB را به ترتیب 196، 106 و 72 قرار دهید. |
7 | روی افزودن به رنگ های سفارشی کلیک کنید . |
8 | روی نمایش تنها پالت رنگ یا تأیید در دسکتاپ چند پلتفرمی کلیک کنید . |
جلد 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Volume Fraction of Fluid 1 (ls) 1 راست کلیک کرده و Volume را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای حجم ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Expression ، s1 را تایپ کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .  روی تغییر جدول رنگ کلیک کنید . |
5 | در کادر محاوره ای Color Table ، Linear>GrayScale را در درخت انتخاب کنید. |
6 | روی OK کلیک کنید . |
7 | در پنجره تنظیمات برای حجم ، بخش داده را پیدا کنید . |
8 | از لیست Dataset ، Revolution 2D را انتخاب کنید . |
9 | از لیست پارامترهای راه حل ، از والدین را انتخاب کنید . |
شفافیت 1
1 | روی جلد 1 کلیک راست کرده و Transparency را انتخاب کنید . |
2 | در نوار ابزار Volume Fraction of Fluid 1 (ls) 1 ، روی  Plot کلیک کنید . |
3 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
