شبیه‌سازی سه‌بعدی حرکت قطرات در کانال هوا - دانشکده فنی و مهندسی
شبیه‌سازی سه‌بعدی حرکت قطرات در کانال هوا
نوع: Type: پایان نامه
مقطع: Segment: کارشناسی ارشد
عنوان: Title: شبیه‌سازی سه‌بعدی حرکت قطرات در کانال هوا
ارائه دهنده: Provider: وحید عسگری - مهندسی مکانیک
اساتید راهنما: Supervisors: دکتر امیره نوربخش
اساتید مشاور: Advisory Professors:
اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: دکتر محسن گودرزی، دکتر حبیب اله سایه وند
زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: ساعت 16 - 1404/7/28
مکان ارائه: Place of presentation: دپارتمان مکانیک کلاس 50
چکیده: Abstract: چكيده: بسیاری از پدیده‌های طبیعی و صنعتی شامل تعامل پیچیده بین فازهای مختلف مواد با پاسخ‌های اینرسی متمایز در میدان‌های سیال اطراف آن‌ها است. این پدیده‌ها کاربردهای گسترده‌ای در حوزه‌های مهندسی و علمی دارند، از جمله انتقال نفت و گاز، عملیات تقطیر در برج‌ها، راکتورهای شیمیایی، سیستم‌های تبرید و تهویه مطبوع، و فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب. در این پژوهش، شبیه‌سازی عددی سه‌بعدی حرکت قطرات شناور در کانال هوایی، در محدوده اعداد رینولدز محدود، با بهره‌گیری از روش حجم سیال انجام شده است. این روش، بر پایه حل یک مجموعه واحد از معادلات بقا برای کل دامنه محاسباتی عمل می‌کند و از رویکرد ریاضی مبتنی بر کسرحجمی برای ردیابی دقیق سطح مشترک بین فازها (مانند گاز و مایع) استفاده می‌نماید؛ سیال زمینه با یک شبکه سازمان‌یافته، منظم و ساکن مدل‌سازی شده، در حالی که قطره به همراه آن شبکه‌بندی می‌شود. هدف اصلی این مطالعه، ارزیابی اثرات پارامترهای بی‌بعد کلیدی نظیر اعداد کپیلاری، رینولدز و وبر، بر دینامیک قطرات است. علاوه بر این، عدد کپیلاری بحرانی مورد بررسی قرار گرفته و تأثیر پارامترهای فیزیکی (ویسکوزیته و چگالی)، هندسی (شعاع قطره و موقعیت اولیه آن در کانال) و نیروی گرانش بر رفتار هیدرودینامیکی قطره تحلیل شده است. نتایج حاکی از آن است که رفتار و حرکت قطره به طور قابل توجهی تحت سلطه این پارامترهای بی‌بعد قرار دارد، در حالی که عوامل فیزیکی و هندسی نقش محوری در تعیین پایداری، تغییرشکل و مسیر حرکت قطره ایفا می‌کنند. در اعداد کپیلاری پایین‌تر از حد بحرانی، نیروی ویسکوز جریان نسبت به کشش سطحی ضعیف‌تر است، که منجر به حفظ شکل کلی قطره می‌گردد. در نقطه بحرانی، تعادل بین نیروهای کشش سطحی و ویسکوز برقرار شده و قطره در مرز ناپایداری قرار می‌گیرد، جایی که عدد رینولدز عامل تعیین‌کننده در تغییر شکل و شکست قطره است. در مقادیر بالاتر از حد بحرانی، برتری نیروی ویسکوز سبب کشیدگی شدید، گسیختگی یا جدایی بخش‌هایی از قطره می‌شود. در کپیلاری پایین، قطره دارای جابجایی عرضی بیشتر به سمت دیواره کانال است. در مقادیر میانی کپیلاری، تعادل نیروها قطره را با افزایش تغییرشکل و ناپایداری، در موقعیتی پایدار بین مرکز و دیواره قرار می‌دهد. در کپیلاری بالا، قطره دچار تغییرشکل شدید و شکست می‌گردد، که با کاهش جابجایی عرضی و همگامی بیشتر با جریان اصلی همراه است. با توجه به رینولدز محدود (ویسکوز غالب)، تمرکز اصلی بر عدد کپیلاری قرار گرفته، زیرا نیروهای ویسکوز و کشش سطحی تعیین‌کننده رفتار قطره هستند. در رینولدز پایین، اثرات اینرسی ناچیز هستند، که در وبر برجسته است. بنابراین، تغییرشکل قطره بیشتر به تعادل بین ویسکوزیته و کشش سطحی بستگی دارد، که توسط کپیلاری اندازه‌گیری می‌شود.در خصوص عدد رینولدز، در مقادیر پایین، ویسکوزیته بر اینرسی غلبه کرده و منجر به حرکت پایدار با نوسانات و تغییرشکل محدود می‌شود. در سطوح میانی، تقویت اینرسی سبب افزایش جابجایی عرضی، تغییرشکل و ناپایداری نسبی می‌گردد. در رینولدز بالا، برتری اینرسی ناپایداری‌های هیدرودینامیکی را تشدید کرده و به افزایش تغییرشکل یا شکست قطره می‌انجامد. تحلیل اثر چگالی نشان می‌دهد که در چگالی پایین قطره، نیروهای شناوری غالب بوده و موقعیت پایداری نزدیک به مرکز کانال را ایجاد می‌کنند. در چگالی متوسط، نیروی گرانش تشدید شده و سبب شکست جزئی با تولید قطرات کوچک‌تر می‌گردد. در چگالی بالا، گرانش برتری یافته و قطره به سمت پایین رانده شده، نهایتاً به فروپاشی و گسیختگی منجر می‌شود.در تحلیل ویسکوزیته، قطرات با ویسکوزیته پایین جابجایی عرضی بیشتر، تغییرشکل بالاتر ولی سرعت محوری کمتر را تجربه می‌کنند، در حالی که ویسکوزیته بالاتر این اثرات را معکوس کرده و پایداری بیشتری فراهم می‌آورد. در نیروی گرانش هم‌جهت با جریان، در تمام مقادیر کپیلاری، قطره را به سمت مرکز یا نزدیکی آن هدایت می‌کند؛ این نیرو انسجام قطره را تقویت کرده و با افزایش کپیلاری، تغییرشکل را افزایش اما سرعت را کاهش می‌دهد.مشاهدات مرتبط با شعاع قطره حاکی از آن است که قطرات کوچک‌تر با کشش سطحی قوی‌تر، تغییرشکل کمتر و سرعت محوری پایین‌تری همراه هستند، در مقابل قطرات بزرگ‌تر کشش سطحی ضعیف‌تری داشته و تغییرشکل و سرعت محوری بیشتری نشان می‌دهند. موقعیت اولیه نیز تعیین‌کننده است. قطرات رها شده در مرکز کانال، جابجایی عرضی کم، تغییرشکل محدود و سرعت محوری بالا دارند، در حالی که نزدیکی به دیواره اثرات معکوس ایجاد می‌کند. در نهایت، قطرات با هر موقعیت اولیه به تعادلی بین مرکز محوری و دیواره می‌رسند، یا در حالات خاص با دیواره کانال برخورد می کنند. این یافته‌ها بینش‌های ارزشمندی برای طراحی سیستم‌های جریان دوفازی ارائه می‌دهند و می‌توانند در بهینه‌سازی فرآیندهای صنعتی مرتبط کاربرد یابند.