انتقال جرم

انتقال جرم (Mass Transfer) چیست؟

انتقال جرم یک پدیده فیزیکی است که در آن حرکت خالص ذرات از یک مکان به مکان دیگر مشاهده می‌شود. انتقال جرم ممکن است در حالت تک فاز یا در مرز بین چند فاز در سیستم‌های چندفازی رخ بدهد. انتقال جرم به سه نوع اصلی متمایز می‌شود: (1) انتشار (diffusion) در یک محیط ساکن، (2) انتقال جرم همرفتی (convection)، و (3) تبادل جرم بین فازها.

مورد اول ساده ترین حالتی است که انتقال جرم در محیطی در حالت سکون اتفاق می‌افتد. نیروی محرکه برای انتقال جرم، اختلاف غلظت (concentration) در نواحی مجاور محیط است و مکانیسم انتقال جرم، انتشار مولکولی (molecular diffusion) است. طبق مشخصه استاتیکی حرکت مولکولی، ماده از یک ناحیه با غلظت بالا به ناحیه‌ای با غلظت کم جریان می‌یابد؛ تا حدی که تمایل دارد غلظت کل حجم را یکسان نماید. اما در مورد دوم، جرم به دلیل حرکت توده‌ای سیال پایه منتقل می‌شود. به عنوان مثال، جریان آب مایع، مولکول‌ها یا یون‌های حل شده در آب را منتقل می‌کند. به طور مشابه، جریان هوا مولکول‌های موجود در هوا شامل گونه‌های غلیظ (مانند اکسیژن و نیتروژن) و گونه‌های رقیق (مانند کربن دی‌اکسید) را منتقل می‌کند. مورد آخر، یعنی تبادل جرم بین فازها، عمدتاً به سه فرم تبخیر (evaporation)، چگالش (condensation) و کاویتاسیون (cavitation) دسته بندی می‌شود.

تبخیر (Evaporation)

تبخیر فرآیند انتقال حرارت و انتقال جرم به طور همزمان است. این پدیده در یک سطح مایع اشباع (saturated liquid)، جایی که بخار به گاز غیراشباع پخش می‌شود، رخ می‌دهد. در حین وقوع تبخیر، گاز مستقیماً بالای سطح مایع از طریق انتشار مولکولی با رطوبت اشباع می‌شود؛ در حالی که در صورت عدم حرکت گاز، رطوبت از طریق دیفیوژن به میزان بیشتر به داخل توده گاز منتشر می‌شود.

مجموعه پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی طیف گسترده‌ای از مسائل در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده شبیه سازی است. به عنوان مثال، برخی از پروژه‌های انجام شده توسط گروه پردازشگران مهر که کاربردهای صنعتی دارند، شامل شبیه‌سازی نمک‌زدایی (شیرین سازی آب) خورشیدی است؛ به طوری که نشان می‌دهد چگونه تبخیر روی سطوح آب دریا رخ می‌دهد که درنهایت منجر به نمک‌زدایی آب می‌شود.

https://www.ansysfluent.ir/shop/surface-evaporation-in-a-solar-desalination-cfd-simulation/

چگالش (Condensation)

وقتی که یک مایع و بخار آن در تماس باهم هستند، مولکول ها از مایع به بخار و از بخار به مایع منتقل می‌شوند. زمانی چگالش بیشتری اتفاق می‌افتد که تعداد مولکول‌هایی که وارد فاز مایع می‌شوند، از مولکول‌های خروجی بیشتر می‌شوند. تحت این شرایط، دمای بخار در مجاورت مستقیم مرز مشترک بخار-مایع بالاتر از دمای مایع است. افت دمای مرز مشترک با افزایش نرخ چگالش و کاهش فشار، افزایش می‌یابد. با این حال، در بیشتر شرایط (یک استثناء در مورد فلزات مایع)، این بسیار کوچک است، و شرایط تعادل در مرز مشترک را می‌توان فرض کرد.

در مورد چگالش، شبیه سازی‌های متعددی در وب سایت ما موجود است. به عنوان مثال، پروژه “چگالش درون یک کندانسور پوسته و لوله” پدیده چگالش را شبیه سازی می‌کند:

https://www.ansysfluent.ir/shop/condensation-inside-a-shell-and-tube-condenser/

کاویتاسیون (Cavitation)

کاویتاسیون به معنای تشکیل فاز بخار از یک مایع می باشد، زمانی که مایع تحت کاهش فشار در دمای ثابت محیط قرار می گیرد. بنابراین، به دلیل کاهش فشار به جای افزودن حرارت، جوشش در مایع اتفاق می‌افتد. با این حال، فرآیندهای فیزیکی و ترمودینامیکی اساسی در هردو مورد یکسان است. وقتی که حباب‌های بخار تشکیل می‌شوند و به دلیل کاهش فشار رشد می‌کنند، اصطلاحاً گفته می‌شود که مایع حفره ایجاد می‌کند. زمانی که انتقال فاز ناشی از تغییرات فشار هیدرودینامیکی است، یک جریان دوفازی متشکل از یک مایع و بخار، تحت عنوان جریان حفره‌ای نامیده می‌شود.

وقتی صحبت از کاویتاسیون می‌شود، شما می‌توانید پست‌های زیادی در مورد آن در وب سایت www.ansysfluent.ir پیدا کنید. به عنوان مثال، شبیه سازی زیر که در صنعت کاربرد دارد، پدیده کاویتاسیون را برروی یک توربین جریان-متقاطع مدل می‌کند:

https://www.ansysfluent.ir/shop/cavitation-in-a-cross-flow-turbine-withwithout-airfoil-in-the-entrance-cfd-simulation-ansys-fluent-training/

شبیه سازی انتقال جرم با نرم افزار ANSYS Fluent

مدل انتقال جرم چندفازی ANSYS Fluent انتقال جرم بین گونه‌های متعلق به فازهای مختلف را درخود جای می‌دهد. به جای یک ورودی از نوع ماتریسی، مکانیزم‌های انتقال جرم چندگانه باید ورودی باشد. هر مکانیزم انتقال جرم، پدیده را از یک حالت به حالت دیگر تعریف می‌کند. یک حالت معادل یک گونه خاص در یک فاز یا خود فاز بالک است، اگر مواد مخلوطی نداشته باشد. پدیده انتقال جرم را می‌توان از طریق انتقال جرم یک‌طرفه داخلی با نرخ ثابت یا از طریق توابع تعریف شده توسط کاربر (UDF) مشخص کرد.

همانطور که در پاراگراف قبل بحث شد، اثرات انتقال جرم در چارچوب مدل‌های چندفازی ANSYS FLUENT (مانند Eulerian یا Mixture یا VOF) را می‌توان به یکی از سه روش مدل‌سازی کرد:

• انتقال جرم با نرخ ثابت یک طرفه (برای محاسبات VOF موجود نیست)
• انتقال جرم تعریف شده توسط UDF
• انتقال جرم از طریق کاویتاسیون
• انتقال جرم از طریق تبخیر-چگالش

گروه پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه‌سازی انتقال جرم

گروه پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه‌سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده مدل‌سازی، مش‌بندی و شبیه‌سازی براساس نیاز مشتریان می‌باشد. خدمات شبیه سازی برای شبیه سازی‌های انتقال جرم به شرح زیر دسته‌بندی می‌شوند:

• دیفیوژن انتشار CO در یک پارکینگ چندطبقه
• تبخیر آب در حوضچه با دمای بالا
• تبخیر سطحی در سیستم‌های شیرین سازی آب
• رطوبت زدایی و ممانعت از انتشار در اتاق جراحی
• خشک‌کن استوانه‌ای سوراخ‌دار
• رطوبت‌زدایی از دانه‌ها
• کاویتاسیون در پمپ‌ها و سرریزها (اوجی، ناودانی، کانال جانبی، هزارتوی سیفونی)
• و …..

خدمات ما محدود به موضوع ذکر شده نیست و گروه پردازشگران مهر آماده انجام پروژه‌های متفاوت و چالش برانگیز است. شما می‌توانید به صورت رایگان و بدون هزینه با کارشناسان ما مشورت کرده و با ارسال جزئیات مسأله به ما از طریق آدرس زیر، پروژه خود را سفارش بدهید.

[email protected]