مدل چندفازی

جریان چندفازی (Multiphase Flow) چیست؟

جریان چندفازی نوعی جریان است که اغلب در طبیعت و فناوری اتفاق می‌افتد. فاز در مفاهیم ترمودینامیکی به عنوان حالت جامد، مایع یا گاز معرفی می‌شود؛ درحالی که این فازها می‌توانند به طور همزمان در سیستم‌های یک‌جزیی یا چندجزئی موجود باشند. ابرهای طوفانی همراه با قطرات باران و تگرگ، جریان جوشان در کوه‌ها، بهمن برفی و ابر آتشفشانی نمونه‌های چشمگیری از جریان‌های چندفازی طبیعی هستند. جریان‌های چندفازی اغلب یک روش انتقال حرارت و انتقال ماده مهم در نیروگاه‌ها و فناوری شیمیایی هستند. جریان‌های دوفازی می‌توانند فرآیندهای مولد بخار (steam generator)، چگالش (condensation) و برج‌های خنک کننده (cooling tower) نیروگاه‌های بخار را تعیین کنند. جریان‌های چندجزئی چندفازی برای استخراج، انتقال و تصفیه نفت و گاز طبیعی استفاده می‌شوند. همچنین این جریان‌ها به شدت در فرآیندهای تقطیر (distillation) و اصلاح (rectification) در صنایع شیمیایی نقش دارند. جریان‌های چندفازی به طور کلی خود را به عنوان فرآیندهای ناپایا (unsteady) با مشخصه بی‌نظمی (chaotic) نشان می‌دهند. بنابراین، به میزان بسیار بیشتری نسبت به جریان‌های توربولانسی، یک توصیف رسمی نیاز به استفاده از حالت‌های میانگین، روش‌های استاتیکی و قوانین مقیاس‌بندی دارد تا درمورد پدیده‌های مورد انتظاری مثل افت فشار و توزیع فازی، بیان کمیتی ارائه کند. فرم‌ها و ساختارهای هندسی بسیار متفاوت، حتی در ساده‌ترین هندسه‌ها مانند لوله‌ها و کانال‌های مقطع-ثابت در جریان‌های گاز-مایع یا گاز-جامد، امکان ارائه توصیف ثابت ریاضیاتی و فیزیکی از جریان‌های چندفازی را دشوار می‌سازد. اثر جاذبه قابل توجه است. علاوه براین، کشش‌های بین سطحی و نیروهای الکترواستاتیکی در جامدات از اهمیت اساسی برخوردار هستند. جریان‌های چندفازی را می‌توان اساساً به دو روش مختلف توصیف کرد.

از یک طرف، جریان چندفازی را می‌توان یک محیط پیوسته متحرک از فازهایی درنظر گرفت که به یکدیگر نفوذ می‌کنند؛ به طوری که هر فاز در هر موقعیت مکانی به میزان معینی وجود دارد. اگر قرار باشد رفتار یک سیال چندفازی در مقیاس بزرگ توصیف شود، این مدل مفید است. از سوی دیگر، حرکت در هر فاز را می‌توان به طور جداگانه توصیف کرد، و سپس به کوپل شدن بین فازها در سطح مشترک مشخص پرداخت. این مورد به صورت ریاضیاتی با محاسبه حرکت سطح مشترک‌ها با جزئیات توسط روش‌های ریاضیاتی خاص بیان می‌شود. این نوع دیدگاه مفید است، اگر فرآیندها توسط اندرکنش‌های موجود در سطح مشترک‌ها مثل شارهای جرمی کنترل شوند.

گروه پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه سازی جریان چندفازی

در نرم افزار ANSYS Fluent، چهار ماژول برای مدل‌سازی جریان‌های چندفازی وجود دارد؛ به طوری که هر مدل مزایا، معایب و محدودیت‌های خود را دارد. این ماژول‌ها شامل حجم سیال (Volume of Fluid (VOF))، مخلوط (Mixture)، اویلرین (Eulerian) و بخار مرطوب (Wet Steam) می‌باشد. مدل بخار مرطوب فقط برای مدل‌های مبتنی برچگالی (density-based) و جریان سیال تراکم ناپذیر (incompressible) دردسترس است.

مدل VOF

مدل VOF برای جریان چندفازی استفاده می‌شود. مرز یا ناحیه تماس بین دو فاز به وضوح تعریف شده است؛به طوری که در این مدل چندفازی، فازهای مختلف با همدیگر مخلوط نمی‌شوند. جریان‌های سطح آزاد (free surface)، جریان‌های آرام (laminar)، پدیده‌های فروپاشی جت (jet disintegration) و حرکت حباب‌های (bubbles) بزرگ به داخل مایع، جوشش استخری (pool boiling)، ریزش مایع مثل آبشار (waterfall)، و سرریزها (spillways) نمونه‌هایی از استفاده از مدل VOF هستند.

مدل Eulerian

مدل Eulerian یکی از پیچیده‌ترین مدل‌ها برای تعریف جریان‌های چندفازی است. این مدل به طور جداگانه معادلات مومنتوم و پیوستگی هر فاز را حل می‌کند. در نقطه مقابل، در روش‌های Mixture و VOF، فقط معادلات فاز اولیه حل می‌شوند (معادلات برای فاز اولیه حل نمی‌شوند). اساس این مدل بدین ترتیب است که معادلات ناویر-استوکس (Navier-Stokes) به طور جداگانه برای هر فاز در نظر گرفته شده است. کاربردهای مدل Eulerian شامل ستون‌های حباب (bubble column)، بالابرهای (risers) عمودی، تعلیق (suspension) ذرات و بسترهای سیال (fluidized bed) می‌باشد.

مدل Mixture

مدل Mixture یک مدل اویلرین ساده شده براساس فرض یک عدد استوکس کوچک است. این مدل در مخلوط‌های چندفازی استفاده می‌شود که فازها دارای سرعت‌های متفاوتی هستند؛ اما در مقیاس‌های طولی کوچک یا مخلوط‌های چندفازی با کوپلینگ همگن بسیار قوی و سرعت یکسان برای فازهای مختلف درتعادل هستند. این مدل معادله انتقال کسر حجمی (volume fraction) را برای هر فاز ثانویه تعریف شده حل می‌کند. این مدل در مواردی مثل جریان حبابی (bubble)، دوغابی (slurry) یا غیرنیوتنی (non-newtonian) و قطرات (droplet) آب کاربرد دارد. نمونه‌های عملی این مدل شامل پدیده‌های رسوب‌گذاری (deposition)، جداکننده‌های سیکلونی (cyclone separator)، جریان‌های حامل ذرات کم، و جریان‌های حباب‌دار حامل گاز با کسر حجمی پایین است. مدل Mixture، مانند مدل VOF، یک دیدگاه تک سیالی  دارد اما با مدل VOF متفاوت است. اولاً مدلMixture به فازها اجازه می‌دهد تا به یکدیگر نفوذ کنند و ثانیاً مدل Mixture به فازها اجازه می‌دهد تا در صورت استفاده از مفهوم سرعت لغزش (slip velocity) با سرعت های متفاوت حرکت کنند.

برای توسعه دانش خود در مورد این روش‌ها و کاربرد آن‌ها در زمینه‌های صنعتی و دانشگاهی، می‌توانید با کلیک بر روی لینک، وارد بخش Multiphase Flow شوید تا پروژه‌های بیشتری را بیابید. به عنوان مثال، مدل‌های شبیه‌سازی زیر به ترتیب با استفاده از مدل‌های Eulerian و Mixture  و VOF ارائه شده است.

راکتور بستر آکنده

جا به جایی زیردریایی در آب

گروه پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه‌سازی جریان چندفازی

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 جریان چندفازی به شرح زیر دسته‌بندی می‌شوند:

• شبیه سازی جریان سطح آزاد و کانال باز سرریزهای مختلف
• شبیه سازی بهبود عملکرد راکتور جت لوپ و افزایش نگه‌داشت گاز با استفاده از روش‌های مختلف
• براورد نسبت حباب در اجکتور دوفازی
• شبیه سازی CFD جداکننده گاز و مایع
• شبیه سازی CFD پر کردن نفت و گاز در مخزن سوخت خودرو
• شبیه سازی CFD رهاسازی قطرات
• شبیه سازی CFD پمپ‌های قطره‌ای
• شبیه سازی CFD شیرین سازی یا نمک زدایی آب شور با انرژی خورشیدی
• شبیه سازی CFD مدل چندفازی انتقال حرارت با عملیات انجماد و ذوب
• شبیه سازی CFD ریزش یا اسلاشینگ آب در مخزن و سد (در حین لرزش و زلزله)
• و …..

شما می‌توانید با کلیک برروی لینک زیر، محصولات مرتبط در دسته بندی‌های فوق را در فروشگاه CFD ما بیابید:

https://www.ansysfluent.ir/product-category/fluent-modules/multi-phase-flow/

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]