دانشگاه آزاد اسلامی
واحد تهران جنوب
دانشکده تحصیلات تکمیلی
“M.Sc” سمینار برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
مهندسی شیمی – فرآیند
عنوان :
مدلسازی شبکه ای جریان سیال در بسترهای فشرده

چکیده:

تعیین مشخصه های جریان داخل یک بستر فشرده، به تشریح کامل مشخصه های هندسی حفره و پدیده های جریان در سطح موضعی نیاز دارد. برای تشریح پدیده های جریان در بسترهای فشرده استحکام نیافته، یک مدل شبکه ای دوبعدی (2-D) مورد بررسی قرار گرفته است. این مدل شبکه ای متشکل از دو نوع مولفه متفاوت است: «حفره های به صورت کره» و «مجراهای به صورت استوانه».

توزیع اندازه مولفه های شبکه با در نظر گرفتن یک مدل هندسی که از تخلخل و قطر متوسط ذره به عنوان داده های ورودی استفاده می کند، به دست می آید. براساس این مدل شبکه ای، یک شبیه ساز جریان معرفی می شود. نتایج نشان می دهد از آنجا که اثرات اینرسی، ناشی از اتصالات میان شیارها (کانال ها) و حفره ها می باشند، این شبیه ساز قادر است جریان تک فاز در تمام حالات ممکن جریان، از آرام تا متلاطم را تشریح کند. همچنین نتایج نشان می دهند که توافق خوبی میان مقادیر پیش بینی شده مدل شبکه ای و داده های تجربی ذکر شده در مقالات وجود دارد.

مقدمه:

پدیده های انتقال و جریان در سطوح بسیار متنوع علوم و مهندسی مشاهده می شوند. فرایندهای بسیاری در صنایع مواد شیمیایی نظیر: جذب سطحی، تبادل یون، واکنشگرهای (راکتورهای) کاتالیزوری و شیمیایی، شامل یک بستر فشرده یا براساس آن هستند و معمولا در بردارنده جریان سیالات از درون یک محیط متخلخل می باشند. برای طراحی و عملکرد عملیاتی بهتر این واحدها، به درک عمیقی از مکانیزم های کنترل کننده پدیده های انتقال درون محیط های متخلخل نیاز است. در میان جنبه های مختلفی که باید در نظر گرفته شوند، تاثیر ساختار فضای خالی، از مهمترین موارد است.

تحولات اخیر در قدرت کامپیوترها و تکنیک های جدید تعیین مشخصه، استفاده از ساختار واقعی محیط متخلخل جهت مدلسازی پدیده انتقال را ممکن ساخته است. زمانی که مدل های شبکه ای به کار گرفته می شود استراتژی متفاوتی در نظر گرفته می شود. هدف اصلی این است که ساختار موضعی محیط متخلخل به کمک مجموعه ای از مولفه ها به شکل هندسی (نظیر کره، استوانه یا لوله انشعابی) نمایش داده شود تا به سادگی رفتار هیدرودینامیکی آنها توصیف شود. نوع مولفه های به کار رفته ممکن است به هندسه ذره، مشخصه های محیط متخلخل، نحوه ساخت بستر فشرده و دیگر اطلاعات تجربی و نظری مربوطه بستگی داشته باشد. هدف مدلسازی و امکان حل معادلات مدل به صورت تحلیلی یا به کمک کامپیوتر نیز در انتخاب نوع مولفه ها اهمیت دارند. این مدلها کوشش دارند میان توصیف دقیق فضای خالی درون محیط های متخلخل و تلاش لازم برای حل معادلات موازنه، توازن برقرار کنند.

فصل اول

کلیات

پیش بینی متغیرهای فرآیند، از جمله افت نهایی فشار و نرخ (سرعت) نهایی جریان، اغلب مبتنی بر انطباق های نیمه تجربی با ثابتهایی است که می بایست با داده های آزمایشگاهی مطابقت داده شوند. بالاخص معادله ارگان (Ergun) به انطباقی استاندارد تبدیل شده است؛ ولی مثال های دیگر شامل معادله کوزنی (Kozeny) برای جریان آرام صحیح است و معادله فورشیمر (Forcheimer) که در مدل بستر فشرده، فشار نسبت به جریان به صورت خطی تغییر نمی کند، برای جریان غیرخطی صحیح است. در مجموع تعمیم این انطباق ها به موقعیت های مختلف امکان پذیر نیست؛ چرا که براساس داده های تجربی هستند که برای سیستم های خاصی به دست آمده اند. همچنین مطالعه پدیده های انتقال از جمله جریان چند فازی امکان پذیر نیست چرا که در مورد ساختار موضعی اطلاعاتی در نظر گرفته نمی شود. در نظر گرفتن ساختار موضعی در عین اینکه باعث پیچیدگی ریاضیاتی این مدل می شود، باعث بالا رفتن کیفیت و کارائی مدل هم می شود. به خاطر ساختار اتفاقی و بسیار پیچیده بسیاری از بسترهای فشرده، مدل تقریبی ساده ای از ساختار حفره ها باید مورد بررسی قرار گیرد که این مدل باید بتواند مشخصه های اصلی انباشتگی را در قالبی که از لحاظ ریاضی قابل استفاده باشد، حفظ کند.

رویکردهای مختلفی جهت مدلسازی ساختار فضای متخلخل یک بستر فشرده یا یک محیط متخلخل، با سطح پیچیدگی مختلف با استفاده از انواع اطلاعات تجربی، پیشنهاد شده اند. یک نوع از این مدل ها با تعریف نمودن سلول های اولیه – جهت بیان ساختار موضعی بستر فشرده – جریان اطراف ذرات محیط متخلخل را تشریح می کند. در ابتدا این مدل ها فرض کردند که هر ذره منفرد یک سلول را تشکیل می دهد به این صورت که حضور و تاثیر ذرات کناری از طریق عبارات تصحیحی و شرایط خاص مرزی، به حساب آورده می شود. بعدها جریان نیز با فرض ساختارهایی ساده برای بستر فشرده، مدلسازی شد. بخصوص برای فشرده سازی های منظم متشکل از کره و استوانه، به دست آوردن عبارت تحلیلی برای تشریح جریان داخل بستر فشرده، امکان پذیر است. برای بسترهای فشرده نامنظم و دیگر محیط های متخلخل، می توان برای تشریح میدان جریان از تکنیک های میانگین سازی حجم، استفاده کرد. معمولا این رویکردها در مورد جریان خطی (با مقادیر پایین عدد رینولدز)، مقادیر تخلخل بالا و زمانی که یک مدل ساده شده در محیط های متخلخل در نظر گرفته شده، قابل اعمال هستند.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.