Meghatározások. Többfázisú áramlás modellezése. Többfázisú áramlások típusai. Áramlási formák

Átírás

1 Meghatáozások Többfázisú áamlás modellezése D. Kistóf Gegely 20. noembe 8. A fázis az áamló közeg egy észe, amely hatáozott felület mentén elkülönül és sajátos dinamikai tulajdonságokkal endelkezik. Egy fázis lehet szilád, csefolyós agy 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 agy kémiai tulajdonságokkal endelkező fázisok (l. olaj-íz). Ezzel szemben, a többkomonensű (multisecies) áamlások esetében: a komonensek molekuláis szinten keeednek egymással és leíásuka azonos sebességet, hőmésékletet alkalmazunk. Többfázisú áamlások tíusai Áamlási fomák 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 Elkülönült Diszez Dugós áamlás Buboékos Rétegződő, nyílt felszínű Csees áamlás áamlás Folyadék-folyadék Fluidágy Üleedés Folyadék-szilád Pl. egy kazán focsőben Áamlási fomák függőleges gázfolyadék áamlásban Cseek Csees Gyűűs Gyűűs Dugós Dugós- Gyűűs Buboékos- Dugós Buboékos Folyadék Gáz fluxus(ft/sec) Mixing ate(ao quality): m & hase / m& tot Sueficialelocty(flux): Q hase /A Volumefaction(holdu): V hase /V tot Do Annula Annula Bubble Slug Slug Bubble Folyadék fluxus (ft/sec) Sajnos az összes áamlási fomát nem lehet azonos modellel leíni. 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 mezőáltozókkal íunk le. A keeék összegzett mozgásegyenletét oldjuk meg átlagolt anyagjellemzők figyelembeételéel toábbá a fázisok közötti iszonylag kis elcsúszási sebessége onatkozó mozgásegyenletet. Euleian Model Az Euleian(és Ganula) modellekben alkalmazott megközelítés szeint minden fázis elkülönült, de egymással elkeeedett fomában an jelen. Minden fázis mozgását különálló mozgásegyenlettel íja le, a fázisok közötti kölcsönhatás a mozgásegyenletekben megjelenő fázis-csatoló tagokkal ehető figyelembe. Lagangian Discete Phase Model (DPM) DPM modell esetében a szemcsékhez illanatnyi helyzetet és sebességet hatáozunk meg. Ha minden szemcse egyedi köetése nem lehetséges, szemcsecsomagokat kéezhetünk, melyben a közetett szemcse nagyszámú hasonló tulajdonságú szemcsét eezentál. A DPM a folytonos fázissal, 2, agy 4 iányú kacsolatban állhat, sűű áamlásban a szemcsék közötti ütközések figyelembe ehetők.

2 A VOF modell alkalmazhatósága A VOF modell aaméteei A VOF modell egymással nem keeedő folyadékok modellezésée alkalmas: Két gázkomonens nem modellezhető, met molekuláis szinten elkeeednek; Folyadék-folyadék áamlás modellezhető, ha a két folyadék nem keeedik (íz-olaj keeék). A felületi feszültség és a fali adhézió figyelembe ehető. Tiikus oblémák: Csekéződés folyadéksugából (l. üzemanyag befecskendezés); Nagy buboékok mozgása folyadékban; Szeaáto tatályok; Jáműek üzemanyag tatályának lötyögése; Gátszakadás; Hajó köüli áamlás (hullámellenállás); Talajíz (besziágás kutakba). A VOF modell nem alkalmazható, ha a hatáfelszín hossza sokkal kisebb a tatomány méeténél. Az exlicit séma éles felszínt ad, azonban a Couant szám < (kb. 0.25): Imlicit séma stacionáius módban is tud futni: Bekacsolni dt*/dx Áamlás ízszintes olajkút könyezetében Alkalmazási éldák Hullámok füdőmedencében Üstmetalugia: acél felszíne Mixtue modell A mixtuemodell a többfolyadék(euleian) modell egyszeűsített áltozata. Sok esetben obosztusabb, kisebb a számítási költség és memóiaigény. A keeék kontinuitását, mozgásegyenletét és enegia egyenletét, toábbá a másodlagos fázisok téfogatkoncentázióegyenletét oldja meg. n ( α ) + ( α m ) ( α d, ) + ( m& q m& q ) t q A másodlagos fázisok elatí sebességét algebai összefüggés alaján számolja. Feltételezi, hogy a elatí sebesség azonnal beáll (l. jóal kisebb mint a keeék sebessége). Egységes tubulencia jellemzőket feltételez. Kaitációs modell és ganulátum-ágy modell alkalmazható. τ a A elatí sebesség számítása q τ f dag m a : a másodlagos fázisa ható téeő (az elsődleges fázis koodinátaendszeében) 2 d : a szemcsék elaxációs ideje 8 µ q (Helyette saját kélet is megadható UDF-ben.) f : a szemcsék ellenállás tényezője. Több modell álasztható, az alaételmezett dag modell a Shille-Naumannmodell: Dift sebesség: Re 0. 08Re f dag d, q n k α kk m + egy tag tubulens áamlás esetén Re 000 Re > 000 qk Bekacsolni A Phases menüben: A Mixtue modell aaméteei Peemfeltételek fázisonként és keeéke 2

3 Buboékos foás gőzfejlesztőben Néhány alkalmazás Leegőztetett Üleedés homokfogóban Gázlándzsában keet othasztó tatály gyógyszeiai femento Gas injecto Többfolyadék modell (Euleian) Egy folytonos elsődleges fázisban elkeeedő diszez fázis (l. szemcsék, buboékok, cseek) modellezésée alkalmas. Lehetőé teszi a fázisok elkeeedését és szeaálódását is. Minden fázisa külön-külön megoldja a mozgásegyenletet, kontinuitást és enegiaegyenletet, emellett köeti a fázisaány áltozását. 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 ehetők. Figyelembe ehető 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. g 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 Θ ganuláis hőméséklet A szemcsék a életlenszeű mozgásukban enegiát táolnak, amelyet Θganuális hőméséklettel fejezhetünk ki. A szilád fázis nyomása és iszkozitása és diffúziója a Θ-tólfügg. Θ-tnöeli a szilád fázis defomációja, csökkenti a ugalmatlan ütközések és a súlódás a folytonos fázissal. Tanszotegyenletből, (agy sűű ganulátum ágyak esetén) algebai összefüggésből számolják ki a ganuláis modellek. Ezeket a mozgásfomákat lehet Mixtue agy Euleian modellelleíni a szemcsék közötti ütközési és súlódási eők figyelembeételéel. Nedes gőz modell A téfogati kondenzáció kezdeti stádiumát íja le Euleian modellben. Fő alkalmazási teülete: gőztubinák és (egyéb eőműi alkatészek) cseeóziójának elemzése. Feltételezi, hogy a íz fázis tömegaánya iszonylag kicsi (<0.2), a cseek az áamlással együtt mozognak, és nincsen közöttük közetlen kölcsönhatás. Tanszotegyenletekkel hatáozza meg a gőz tömegkoncentációját és a cseek daabszám-koncentációját. Beéített eális gáz modell és széles tatományban éényes függények a íz anyagjellemzőie. Csak sűűség alaú megoldóal működik. t Kaitáziós modell Nyomásáltozás okozta gőzkéződés és kondenzáció kis gőztatalom mellett. Víztubinák és sziattyúk kaitációsjellemzőinek meghatáozásáa. A gőzfázis kontinuitási egyenlete: l ( α ) + ( α ) ± α( α ) α: a gőz téfogatkoncentációja; : gőz sűűsége; : gőzfázis sebessége; l : íz sűűsége; n: buboékok téfogatkoncentációja; : telített gőznyomás (hőfok függénye); : keeék nyomása; : keeék sűűsége. Gőzfázis kéződési átája (kg/m -s). α α 4π n FLUENT endszeben a kaitáció modell Mixtue modellel és Euleian modellel használható, háom különböző modelláltozat áll endelkezése. 2 ± ( ) Buboéknöekedés sebessége l

4 Diszkét fázis modell (DPM) Egyes észecskék, agy észecskecsomagok mozgásának tajektóiáit hatáozza meg a folytonos fázisban. Alkalmazható a folytonos közegben diszegált szemcsék cseek modellezésée. Néhány jellemző iai alkalmazása: üzemanyag befecskendezés, száítás, ciklonok, széno tüzelés, hígáamú neumatikus szállítás. A diszez és folytonos fázis közötti tömeg, imulzus és hőátadás figyelembe ehető. Instacionáius módban a DPM csomagok illanatnyi ozícióját fissíti időléésenként, stacione módban egész DPM ályákat számol, melyek mentén átadja az eőket a folytonos fázisnak egyegy iteációs léésben. A DensDPM modell és a DEM modell kiételéel: Nem eszi figyelembe a szemcsék közötti kölcsönhatásokat; A diszez fázis alacsony (<0%) téfogat-koncentációban an jelen, azonban a tömegkoncentáció nagy is lehet; Feltételezi, hogy a észecskék áthaladnak a tatományon (nem hosszan tatózkodnak, mint l. szuszenzió agy üleedés esetében). A diszkét fázis modell aaméteei Tíus: -felületi -ontbeli -say -file Anyag Kezdősebesség, méet stb. Injection anel! Léések száma Léésszám cellánként A szemcse mozgás alaegyenlete d FD dt ( ) + g + Fothe Ellenállás Gaitációs eő Toábbi eők: - Tehetetlenségi eő fogó koodináta-endszeben; - Temofoézis (Temohoetic foce) a hőméséklet gadienssel ellentétes iányban; - Bown eő: gázmolekulák okozta életlen lökdösés, sub-micon méetű szemcséke ehető figyelembe, lamináis áamlásban (ha az enegia egyenlet aktí). - Tubulens lökdösés; - A nyíó áamlás okozta felhajtóeő (Saffman s lift foce); - Felhasználó által definiált toábbi eők. A tubulencia hatása A észecskék óbálják köetni a tubulens sebességingadozást. Ez a hatás a diszkét fázis szóódásához ezet. Két megközelítés alkalmazható: Random Walk Model Paticle Cloud Model ' ζ u i 2k ζegy Gausseloszlású életlen szám A diszkét és folytonos fázisok mozgásának négy iányú csatolása Imulzus A DPM modell fali eemfeltételei Escae A észecske elhagyja a számítási tatományt. Wall Jet A szemcsék a fal mentén csúsznak. (Nics jelentős filmkéződés). Folytonos fázis Tubulencia Diszkét fázis Ta Letaad a falon. Wall Film Leíja a jelentős astagságú fali film mozgását is (l. benzin befecskendezés agy esőíz egy jámű felületén). g Reflect Visszaattan a falól észben ugalmasan. Fali isszaattanási tényezők előíhatók: ηn 2, n, n ηt 2, t, t 4

5 Koásmodell híg szuszenzióa R eosion : koási áta [kg/m2-s] m /A face : tömegfluxus[kg/m2-s] C(d ): átméő tényező f(α): szög tényező Előíhatjuk b() : sebesség tényező Csőfal koása zagy szállítás esetén f(α) b() C(d ) DEM ütközési modell DEM Discete Element Method. A szemcséket egyedileg köeti. Figyelembe eszi a szemcsék közötti ütközéseket. Részletesebb ütközésmodell (folyamat leíás) kis t. A DEM ütközésmodell aaméteezése Jelenleg csak gömb alakú szemcséket tud kezelni. A meőleges komonense csillaított ütközési modell: A tangenciális komonense Coulomb-féle súlódási modell: F µ t ( t ) F n k, c és µétékét íhatjuk elő. Say modellezés Elsődleges beak-u: a fúókából kiléő sugá nagyobb cseeke bomlik. Ezt befolyásolja a fúóka méetei, kiléő sebesség és tubulencia ofilja is. A fúóka fizikai aaméteei alaján a cseméetet, a befecskendezési szöget és a befecskendezés időontját életlenszeűen áltoztatja. Az Injections menüben 5 különböző say modell álasztható (Atomize models). Másodlagos beak-u: A nagyobb cseeka elatí légáamlás miatt kisebb cseeke bomlanak. Utód folyadékcsomagok (Childacels) indulnak el a nagy cse könyezetéből. A Discete Phasemenüben álasztahók ki. ) TaylodAnalogyBeak-u (TAB) model: úgó-tömeg-csillaító (felületi feszültség-tömeg-iszkozitás). Viszonylag kis Webe-szám (We<00) esetén alkalmazható. 2) Wae model: a nagy cseek felületén a légellenállás hatásáa hullámok alakulnak ki, amelyek feleősödnek és ez ezet a cse széteséséhez. A keletkezett cseek méete a leggyosabban eősödő hullámhossz alaján hatáozható meg. Cseek ütközése, összetaadása Egy szimulációs cellán belül található cseek összeütközhetnek. Ennek alószínűsége a cseek átméőjétől és sebességétől függ. Az ütközés alószínűsége az ütközési téfogat és a cella téfogat aányáal méhető. Csak összetaadással és isszaattanással égződő ütközéseket esz figyelembe. (A cse nem obbanhat több daaba.) 5

6 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 onatkozó kontinuitást és mozgásegyenletet nem oldja meg (Euleianendszeben), hanem ezek mezőáltozóit a Lagangian modellből eszi 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 agy UDF-el Szemcse fűtése és hűtése (heating and cooling) Cse áolgása (eaoation) Cse foása (dolet boiling) Kigázosodás(deolatilization) Felületi égés (suface combustion) Többkomonensű szemcsék (multicomonent aticle definition) 6