Áramlási formák. Többfázisú áramlás modellezése. Meghatározások

Átírás

1 Áamlási fomák Elkülönült Diszez Többfázisú áamlás modellezése D. Kistóf Gegely 200. novembe. Dugós áamlás Buboékos Fluidágy Rétegződő, nyílt felszínű áamlás Csees áamlás Üleedés Folyadék-folyadék Folyadék-szilád Meghatáozások Áamlási fomák függőleges gázfolyadék áamlásban A fázis az áamló közeg egy észe, amely hatáozott felület mentén elkülönül és sajátos dinamikai tulajdonságokkal endelkezik. Egy fázis lehet szilád, csefolyós vagy légnemű, azonban több fázis is lehet azonos halmazállaotban, l. különböző méetű szemcsék esetében. A többfázisú áamlásban egyszee jelen lehetnek: Eltéő halmazállaotú fázisok; Azonos halmazállaotú, de eltéő fizikai vagy kémiai tulajdonságokkal endelkező fázisok (l. olaj-víz). Pl. egy kazán focsőben Cseek Csees Gyűűs Gyűűs Dugós- Gyűűs Dugós Gáz fluzus(ft/sec) Do Annula Annula Bubble Slug Slug Bubble Ezzel szemben, a többkomonensű (multisecies) áamlások esetében: a komonensek molekuláis szinten keveednek egymással és leíásuka azonos sebességet, hőmésékletet alkalmazunk. Buboékos- Dugós Buboékos Folyadék Folyadék fluxus (ft/sec) Sajnos az összes áamlási fomát nem lehet azonos modellel leíni. Többfázisú áamlások tíusai Gáz-folyadék áamlás Buboékos áamlás Csees áamlás Gázáamlás szilád szemcsékkel Pneumatikus szállítás Fluid ágyak Zagyok Szén és éc szállítás Isza áamlás Elkülönülő fázisok áamlása (nyílt felszínű áamlások) Minden tíusnak sajátos különféle áamlási fomái lehetnek Többfázisú modellek FLUENT-ben Volume of Fluid model (VOF) Elkülönült áamlási fomák elemzésée alkalmas, amiko a felszín ontos alakja a kédés. Mixtue Model Lokálisan homogén áamlást feltételez amelyet a fázisaányokkal, mint mezőváltozókkal íunk le. A keveék összegzett mozgásegyenletét oldjuk meg átlagolt anyagjellemzők figyelembevételével továbbá a fázisok közötti viszonylag kis elcsúszási sebessége vonatkozó mozgásegyenletet. Euleian Model Az Euleian(és Ganula) modellekben alkalmazott megközelítés szeint minden fázis elkülönült, de egymással elkeveedett fomában van jelen. Minden fázis mozgását különálló mozgásegyenlettel íja le, a fázisok közötti kölcsönhatás a mozgásegyenletekben megjelenő fázis-csatoló tagokkal vehető figyelembe. Lagangian Disesed Phase Model (DPM) DPM modell esetében a szemcsékhez illanatnyi helyzetet és sebességet hatáozunk meg. Ha minden szemcse egyedi követése nem lehetséges, szemcsecsomagokat kéezhetünk, melyben a közvetett szemcse nagyszámú hasonló tulajdonságú szemcsét eezentál. A DPM a folytonos fázissal kétiányú kacsolatban állhat, sűű áamlásban a szemcsék közötti ütközések figyelembe vehetők.

2 A VOF modell alkalmazhatósága A VOF modell egymással nem keveedő folyadékok modellezésée alkalmas: Két gázkomonens nem modellezhető, met molekuláis szinten elkeveednek; Folyadék-folyadék áamlás modellezhető, ha a két folyadék nem keveedik (víz-olaj keveék). A felületi feszültség és a fali adhézió figyelembe vehető. Tiikus oblémák: Csekéződés folyadéksugából (l. üzemanyag befecskendezés); Nagy buboékok mozgása folyadékban; Szeaáto tatályok; Jáművek üzemanyag tatályának lötyögése; Gátszakadás; Hajó köüli áamlás (hullámellenállás); Talajvíz (beszivágás kutakba). A VOF modell nem alkalmazható, ha a hatáfelszín hossza sokkal kisebb a tatomány méeténél. Mixtue modell A mixtue modell a többfolyadék(euleian) modell egyszeűsített változata. Sok esetben obosztusabb, kisebb a számítási költség és memóiaigény. A keveék kontinuitását, mozgásegyenletét és enegia egyenletét, továbbá a másodlagos fázisok téfogatkoncentázió egyenletét oldja meg. A másodlagos fázisok elatív sebességét algebai összefüggés alaján számolja. Feltételezi, hogy a elatív sebesség azonnal beáll és jóval kisebb mint a keveék sebessége. Egységes tubulencia jellemzőket feltételez. Kavitációs modell és ganulátum-ágy modell alkalmazható. A VOF modell aaméteei A elatív sebesség számítása Az exlicit séma éles felszínt ad, azonban a Couant szám < (kb. 0.25): Imlicit séma stacionáius módban is tud futni: Bekacsolni a v q τ = f dag m a (Helyette saját kélet is megadható UDF-ben.) + egy tag tubulens áamlás esetén : a másodlagos fázisa ható téeő (az elsődleges fázis koodinátaendszeében) dt*v/dx τ 2 d = : a szemcsék elaxációs ideje 8 µ q f : a szemcsék ellenállás tényezője. Több modell választható, az alaételmezett dag modell a Shille-Naumann modell: Re = Re f dag Re 000 Re > 000 Alkalmazási éldák A Mixtue modell aaméteei Áamlás vízszintes olajkút könyezetében Hullámok füdőmedencében Bekacsolni Peemfeltételek fázisonként és keveéke Üstmetalugia: acél felszíne A Phases menüben: 2

3 Buboékos foás gőzfejlesztőben Néhány alkalmazás Üleedés homokfogóban Gázlándzsában kevet othasztó tatály Levegőztetett gyógyszeiai femento Θ ganuláis hőméséklet A szemcsék a véletlenszeű mozgásukban enegiát táolnak, amelyet Θganuálishőméséklettel fejezhetünk ki. A szilád fázis nyomása és viszkozitása és diffúziója a Θ-tólfügg. Θ-tnöveli a szilád fázis defomációja, csökkenti a ugalmatlan ütközések és a súlódás a folytonos fázissal. Tanszotegyenletből, (vagy sűű ganulátum ágyak esetén) algebai összefüggésből számolják ki a ganuláis modellek. Többfolyadék modell (Euleian) Egy folytonos elsődleges fázisban elkeveedő diszez fázis (l. szemcsék, buboékok, cseek) modellezésée alkalmas. Lehetővé teszi a fázisok elkeveedését és szeaálódását is. Minden fázisa külön-külön megoldja a mozgásegyenletet, kontinuitást és enegiaegyenletet, emellett követi a fázisaány változását. Minden megmaadási tételben összekacsolhatók egymással a fázisok (inte-hase inteaction tems). Egységes nyomást feltételez, emellett a Ganula modell esetében a szilád szemcsék közötti eők figyelembe vehetők. Figyelembe vehető a fázisok közötti ellenállás, látszólagos tömeg (buboékok esetén), és a szemcséke ható felhajtóeő (eősen nyíódó áamlásban). Minden fázisa külön számolhatók a tubulens jellemzők. Homogén eakciók és heteogén eakciók (l. szemcsék égése) modellezésée használható. Nedves gőz modell A téfogati kondenzáció kezdeti stádiumát íja le Euleian modellben. Fő alkalmazási teülete: gőztubinák és (egyéb eőművialkatészek) cseeóziójának elemzése. Feltételezi, hogy a gőz fázis tömegaánya viszonylag kicsi (<0.2), a cseek az áamlással együtt mozognak, és nincsen közöttük közvetlen kölcsönhatás. Tanszotegyenletekkel hatáozza meg a gőz tömegkoncentációját és a cseek daabszám-koncentációját. Beéített eális gáz modell és széles tatományban évényes függvények a víz anyagjellemzőie. Csak sűűség alaú megoldóval működik. Ganuláis modellek Elasztikus állaot Plasztikus állaot Viszkózus állaot Stagnáló üledék Lassú áamlás Gyos áamlás A feszültség a defomációtól függ A feszültség a defomációtól független Feszültség a defomációsebességtől függ Ezeket a mozgásfomákat lehet Mixtue vagy Euleian modellelleíni a szemcsék közötti ütközési és súlódási eők figyelembevételével. Kavitáziós modell Nyomásváltozás okozta gőzkéződés és kondenzáció kis gőztatalom mellett. Víztubinák és szivattyúk kavitációsjellemzőinek meghatáozásáa. A gőzfázis kontinuitási egyenlete: vl ( α v ) + ( α vvv ) = ± α( α ) t α α 4π n α: a gőz téfogatkoncentációja; v : gőz sűűsége; v v : gőzgázissebessége; l : víz sűűsége; n: buboékok téfogatkoncentációja; v : telített gőznyomás (hőfok függvénye); : keveék nyomása. Gőzfázis kéződési átája (kg/m -s). 2 ± ( v ) Buboéknövekedés sebessége l FLUENT endszeben a kavitáció modell Mixtue modellel és Euleian modellel használható, háom különböző modellváltozat áll endelkezése.

4 Diszkét fázis modell (DPM) Részecskék mozgásának tajektóiáithatáozza meg a folytonos fázisban. Alkalmazható a folytonos közegben diszegáltszemcsék cseek modellezésée. Néhány jellemző iai alkalmazása: üzemanyag befecskendezés, száítás, ciklonok, széno tüzelés, hígáamú neumatikus szállítás. Stacionáius és instacionáiusáamlásban is alkalmazható. A diszez és folytonos fázis közötti tömeg, imulzus és hőátadás figyelembe vehető. A Dens DPM modell kivételével: Nem veszi figyelembe a szemcsék közötti kölcsönhatásokat; A diszez fázis alacsony (<0%) téfogat-koncentációban van jelen, azonban a tömegkoncentáció nagy is lehet; Feltételezi, hogy a észecskék áthaladnak a tatományon (nem hosszan tatózkodnak, mint l. szuszenzió vagy üleedés esetében). A tubulencia hatása A észecskék óbálják követni a tubulens sebességingadozást. Ez a hatás a diszkét fázis szóódásához vezet. Két megközelítés alkalmazható: Random Walk Model Paticle Cloud Model u i ' = ζ 2k ζegy Gausseloszlású véletlen szám A diszkét fázis modell aaméteei A DPM modell fali eemfeltételei Escae A észecske elhagyja a számítási tatományt. Wall Jet A szemcsék a fal mentén csúsznak. (Nics jelentős filmkéződés). Injection anel! Léések száma Tíus: -felületi -ontbeli -say Anyag Léésszám cellánként Ta Letaad a falon. Reflect Visszaattan a falól észben ugalmasan. Wall Film Leíja a jelentős vastagságú fali film mozgását is (l. benzin befecskendezés vagy esővíz egy jámű felületén). Kezdősebesség, méet stb. Megjegyzés: szemcse eózióa is vannak modellek. A szemcse mozgás alaegyenlete dv = FD dt ( v v ) + g + Fothe Ellenállás Gavitációs eő További eők: - Tehetetlenségi eő fogó koodináta-endszeben; - Temofoézis (Temohoeticfoce) a hőméséklet gadienssel ellentétes iányban; - Bown eő: gázmolekulák okozta véletlen lökdösés, sub-micon méetű szemcséke vehető figyelembe, lamináis áamlásban (ha az enegia egyenlet aktív). - Tubulens lökdösés; - A nyíó áamlás okozta felhajtóeő (Saffman s lift foce); - Felhasználó által definiált további eők. Say modellezés Elsődleges beak-u: a fúvókából kiléő sugá nagyobb cseeke bomlik. Ezt befolyásolja a fúvóka méetei, kiléő sebesség és tubulencia ofilja is. A fúvóka fizikai aaméteei alaján a cseméetet, a befecskendezési szöget és a befecskendezés időontját véletlenszeűen változtatja. Az Injectionsmenüben5 különböző say modell választható (Atomize models). Másodlagos beak-u: A nagyobb cseeka elatív légáamlás miatt kisebb cseeke bomlanak. Utód folyadékcsomagok (Childacels) indulnak el a nagy cse könyezetéből. A DiscetePhasemenüben választahókki. ) TaylodAnalogyBeak-u(TAB) model: úgó-tömeg-csillaító(felületi feszültség-tömeg-viszkozitás). Viszonylag kis Webe-szám(We<00) esetén alkalmazható. 2) Wavemodel: a nagy cseek felületén a légellenállás hatásáa hullámok alakulnak ki, amelyek feleősödnek és ez vezet a cse széteséséhez. A keletkezett cseek méete a leggyosabban eősödő hullámhossz alaján hatáozható meg. 4

5 Cseek ütközése, összetaadása Egy szimulációs cellán belül található cseek összeütközhetnek. Ennek valószínűsége a cseek átméőjétől és sebességétől függ. Az ütközés valószínűsége az ütközési téfogat és a cella téfogat aányával méhető. Csak összetaadással és visszaattanással végződő ütközéseket vesz figyelembe. (A cse nem obbanhat több daaba.) A DensDPM modell A észecskék ütközését és súlódását leíó eők számításához a szükséges a szemcsés fázis téfogataánya. A modell az Euleianmodelle éül, azonban diszez fázisoka vonatkozó kontinuitást és mozgásegyenletet nem oldja meg (Euleianendszeben), hanem ezek mezőváltozóit a Lagangian modellből veszi át. A szemcsék kölcsönhatásának számításához szükséges ganuláishőmésékletet a folytonos fázisba inteolált sebesség alaján számolja. Nem kell a észecske méet osztályokhoz különféle folytonos fázisokat definiálni, ez a Lagangianmodellel temészetes módon megtöténik. Anyag és enegiaátaádsdpm modellben (Law -0) Beéített összefüggésekkel vagy UDF-el Szemcse fűtése és hűtése (heating and cooling) Cse áolgása (evaoation) Cse foása (dolet boiling) Kigázosodás(devolatilization) Felületi égés (suface combustion) Többkomonensű szemcsék (multicomonent aticle definition) 5