سیالات چند فازی و مدل سازی آنها

در تعریف سیالات چند فازی می توان به جریان یافتن همزمان مواد (سیالات) با دو یا چند فاز ترمودینامیکی (حالات مختلف) اشاره کرد. در بسیاری از دستگاه های پیشرفته مانند توربین ها، پمپ ها، پلاستیک سازی و کاغذسازی دیده شده و در اکثر فرآیند های طبیعی کره زمین نقش مؤثر دارد.

فاز های مختلف یک سیال و یا جریان، می توانند در هر حالتی از یک جزء شیمیایی (فقط آب با دو حالت بخار و مایع) و یا چند جزء شیمیایی (روغن و آب) تشکیل شده باشند. اگر بخش پیوسته فضایی را تنها یک گاز اشغال کند، آن فاز را پیوسته می نامند و هر فاز پیوسته به خودی خود می تواند مایع یا گاز باشد و هر فاز پراکنده تنها جامد است.

در رودخانه ها بصورت طبیعی انتقال رسوب بوسیله جریان چندفازی صورت می گیرد، به شکلی که ذرات معلق با عنوان فاز دوم پراکنده با بخش مایع برهم کنش هایی خواهد داشت و رفتاری این چنین نشان می دهد.

در عصر حاضر سیالات دو فازی و سیالات چند فازی با اهمیت بسزایی در گستره وسیعی از سیستم های مهندسی مانند اجرای ایمن از روی طراحی های بهینه هر عملیاتی همراه هستند. البته این پدیده به فناوری های به روز صنعتی محدود نمی باشد و جریان های چند فازی در پدیده های طبیعی و سیستم های بیولوژیک قابل مشاهده هستند.

مهم ترین کاربرد این دسته از سیالات چند فازی را در زیر داریم :

سیستم های بیولوژیکی : سیستم های تنفسی ، سیستم های قلبی و عروقی و جریان خون

سیستم های کنترل محیط: جمع کننده ذرات ، دستگاه های تهویه ای ، کنترلر های آلودگی هوا، چیلر ها و کولرها و دیگر سیستم ها ...

سیستم های انتقالی : انژکتور ها و پمپ ها و خطوط لوله انتقال ترکیبات نفتی

سیستم های نیروگاهی : ژنراتور های MHD ، موتور های جت و موشک ، پیشرانه های مایع و جامد، موتور های احتراق داخلی ، ری آکتور های هسته ای آب تحت فشار ، اواپراتور و بویلر نیروگاه ها

سیستم های انتقال حرارتی : کندانسور ها ، خشک کننده ها ، اواپراتور ها ، برج های خنک کننده ، مبدل های حرارتی و سیستم های تبریدی

الگوهای مختلف جریان های دو فازی مایع-گاز در لوله های عمودی به شکل غیر هم جهت مشاهده شده و این رژیم های مختلف جریانی را در زیر داریم :

رژیم لخته ای : با تشکیل حباب های بسیار حجیم و بزرگ این رژیم به پایان می رسد و به سرعت رژیم لخته ای است که شروع به گسترش خواهد کرد . یکی از ویژگی های بارز رژیم لخته ای، مشاهده تعداد بسیار بالایی حباب گلوله ای شکل در سطح سیال است. در این دسته رژیم ها فاز گاز ها به دو شکل نمایان خواهند شد . حباب های بزرگ که تیلور نام دارند همراه با حباب های کوچکتر کروی شکل بصورت تماما پخش شده در فاز مایع قرار می گیرند. تقریبا تمامی مقاطع مختلف عرضی هر لوله را در بر می گیرد و به وسیله فیلم ظریفی از دیواره لوله ها جدا شده به شکل کاملا یکنواخت در جهت بالا حرکت می کند.

معرفی شبیه سازی سیالات چند فازی و روش حل آن

برای بیان مسائلی از قبیل سیالات چند فازی روش های تحلیلی ، عددی و تجربی متفاوتی مورد بررسی قرار می گیرند. اما در حل عددی جریان های چند فازی مشکلاتی به وجود می آید که حل آنها شرایط خاصی را پیش می آورند. یکی از بزرگترین مسائل در این دسته از شبیه سازی ها وجود صفحه مشترک بین فاز های مختلف سیال است. این سطح مشترک نا پیوستگی های متعددی را در بین مرز تلفیقی و کمیت های موجودش به وجود خواهد آورد. اعمال شرایط مرزی و شبیه سازی در این نا پیوستگی ها به مرور سخت تر می شود.

:مدل سازی جریان دو فازی آب و هوا را در شکل زیر می بینیم 

برای محاسبه اشتراک سطح بین فاز های جریان سیالات چند فازی، روش های مختلفی وجود دارد که به دو دسته زیر تقسیم می شوند :

-       روش های سطحی       و      -روش های حجمی

در روش اول با نقاط مارک شده سطح مشترک بصورت خاصی نمایش داده می شود و برای تقریب نود های بین شان از روش های میانیابی استفاده خواهد شد. خوبی این روش آن است که پوزیشن سطح اشتراکی همواره در کل میدان مشخص شده و با جلو بردن آن در میدان جریان شکلش بطور دقیق حفظ می شود. این قابلیت به نوعی محاسبات دقیقی را برای انحنای سطح در کنار کشش آن فراهم خواهد کرد. از محدودیت های این روش می توان به شکست و یا به هم پیوستن حباب آب اشاره کرد طوری که ذرات مارک شده یا بسیار از هم فاصله می گیرند یا بسیار به هم نزدیک می شوند. این عمل سبب کاهش توان تمایز دادن و در نتیجه باعث کوچک تر شدن شبکات محاسباتی می شود. معروف ترین متد های سطحی ، روش چیدن سطح و ردیابی رو به جلو هستند.

و اما روش دوم یا همان روش حجمی که آپشن پیش بینی سطح آزاد و همینطور شبیه سازی سطح مشترک بین دو سیال و دیگر مشکلات روش قبل را برای ما ساده می سازد. یعنی مشکلات اثر های کشش سطحی و یا همان ناپیوستگی های اشاره شده را برطرف خواهد ساخت که مهم ترین متد در این روش، کسر حجمی سیال می باشد.

این نوع معادلات که بطور مستقیم یا با واسطه های عددی و هندسی روی سیالات چند فازی تاثیر دارند شامل این موارد هستند : معادلات بقای تکانه خطی، معادلات کسر حجمی سیال، معادلات بقای جرم و معادلات بقای انرژی در صورت الزام

اهمیت شبیه سازی سیالات چند فازی

شناخت فرایند های مختلف چند فازی در صنعت ها شامل : صنایع مادر کشور ، شرکت های صنعتی نفت و گاز ، شرکت آب و فاضلاب ایران و بخش های مختلف وزارت نیرو نیازهای بیشتری در آگاهی برای پیش بینی درست رژیم جریان و کم شدن خطر های ناشی از اختلافات فاز مانند کاویتاسیون حائز اهمیت می باشد.

به زبانی ساده تر در هر نگاه مهندسی سیالات دیدگاه نیرویی و دیدگاه غلظتی برای شرایط مختلف وجود دارد که دیدگاه نیرویی ساده شده همان دیدگاه مومنتوم هست که هر رخدادی را با force های مختلفی که ایجاد می شود بررسی می کند و نگاه های غلظتی متفاوت بوده به صورت حجم محدود نگاه می کند و کار را برای شرایط سیالاتی راحت تر می کند.

هر زمان این دو دیدگاه نتوانند شرایط ضربه ای را برای یک اتفاق دو فاز ساده سازی کنند باید از طریق سیالات چند فازی شبیه سازی صورت بگیرد و در اصل هر پارتیکلی با برخوردی که دارد در صورت اتفاقات مختلف اجبار به چند فازی در نظر گرفتن سیال قوی تر می شود.

شبیه سازی سیالات چند فازی به کمک دینامیک سیالات محاسباتی

به مانند مابقی مدل سازی های عددی ، تولید هندسه های شبکه بندی شده یکی از مقدمات این نوع از شبیه سازی ها می باشد که در این بخش شبکه بندی دقیق با توجه به اهمیت معادلات حاکم بر فازها و همینطور ناحیه بندی های خوب در میدان و حل آنها جهت پیش بینی مرز مشترک بسیار مهم می باشد.

شکل زیر شبکه بندی اطراف پمپ معکوسی را برای رفتارشناسی دقیق آب آورده شده است :

در پایان مقاله می بایست به نرم افزار ANSYS FLUENT و همینطور بخش تخصصی ANSYS CFX برای شبیه سازی جریان سیالات چند فازی اشاره داشته باشیم که در هر کدام با Run های مختلف و شرایط متفاوت می توان این دسته از مدل سازی ها را به خوبی هر چه تمام تر انجام داد.

نویسنده : مهندس علیرضا خانی / مسئول دپارتمان مهندسی شیمی پارس پژوهان