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

Átírás

1 Pl. egy kazán forrcsőben Gáz fluxus (ft/sec) Meghatározások Többfázisú áramlás modellezése Dr. Kristóf Gergely 202. november 9. A fázis az áramló közeg egy része, amely határozott felület mentén elkülönül és sajátos dinamikai tulajdonságokkal rendelkezik. Egy fázis lehet szilád, csefolyós vagy légnemű, azonban több fázis is lehet azonos halmazállaotban, l. különböző méretű szemcsék esetében. A többfázisú áramlásban egyszerre jelen lehetnek: Eltérő halmazállaotú fázisok; Azonos halmazállaotú, de eltérő fizikai vagy kémiai tulajdonságokkal rendelkező fázisok (l. olaj-víz). Ezzel szemben, a többkomonensű (multisecies) áramlások esetében: a komonensek molekuláris szinten keverednek egymással és leírásukra azonos sebességet, hőmérsékletet alkalmazunk. Többfázisú áramlások tíusai Áramlási formák Gáz-folyadék áramlás Buborékos áramlás Csees áramlás Gázáramlás szilárd szemcsékkel Pneumatikus szállítás Fluid ágyak Zagyok Szén és érc szállítás Isza áramlás Elkülönülő fázisok áramlása (nyílt felszínű áramlások) Minden tíusnak sajátos különféle áramlási formái lehetnek Elkülönült Diszerz Dugós áramlás Buborékos Rétegződő, nyílt felszínű Csees áramlás áramlás Folyadék-folyadék Fluidágy Üleedés Folyadék-szilárd Áramlási formák függőleges gázfolyadék áramlásban Cseek Csees Dugós- Dugós Buborékos- Dugós Buborékos Folyadék Mixing rate (vaor quality): m / m hase tot Suerficial velocty (flux): Q hase /A Volume fraction (holdu): V hase /V tot Dro Annular Annular Bubble Slug Slug Bubble Folyadék fluxus (ft/sec) Sajnos az összes áramlási formát nem lehet azonos modellel leírni. Többfázisú modellek FLUENT-ben Volume of Fluid model (VOF) Elkülönült áramlási formák elemzésére alkalmas, amikor a felszín ontos alakja a kérdés. Mixture Model Lokálisan homogén áramlást feltételez amelyet a fázisarányokkal, mint mezőváltozókkal írunk le. A keverék összegzett mozgásegyenletét oldjuk meg átlagolt anyagjellemzők figyelembevételével továbbá a fázisok közötti viszonylag kis elcsúszási sebességre vonatkozó mozgásegyenletet. Eulerian Model Az Eulerian (és Granular) modellekben alkalmazott megközelítés szerint minden fázis elkülönült, de egymással elkeveredett formában van jelen. Minden fázis mozgását különálló mozgásegyenlettel írja le, a fázisok közötti kölcsönhatás a mozgásegyenletekben megjelenő fázis-csatoló tagokkal vehető figyelembe. Lagrangian Disersed Phase Model (DPM) DPM modell esetében a szemcsékhez illanatnyi helyzetet és sebességet határozunk meg. Ha minden szemcse egyedi követése nem lehetséges, szemcsecsomagokat kéezhetünk, melyben a közvetett szemcse nagyszámú hasonló tulajdonságú szemcsét rerezentál. A DPM a folytonos fázissal kétirányú kacsolatban állhat, sűrű áramlásban a szemcsék közötti ütközések figyelembe vehetők.

2 A VOF modell alkalmazhatósága A VOF modell araméterei A VOF modell egymással nem keveredő folyadékok modellezésére alkalmas: Két gázkomonens nem modellezhető, mert molekuláris szinten elkeverednek; Folyadék-folyadék áramlás modellezhető, ha a két folyadék nem keveredik (víz-olaj keverék). A felületi feszültség és a fali adhézió figyelembe vehető. Tiikus roblémák: Csekéződés folyadéksugárból (l. üzemanyag befecskendezés); Nagy buborékok mozgása folyadékban; Szearátor tartályok; Járművek üzemanyag tartályának lötyögése; Gátszakadás; Hajó körüli áramlás (hullámellenállás); Talajvíz (beszivárgás kutakba). A VOF modell nem alkalmazható, ha a határfelszín hossza sokkal kisebb a tartomány méreténél. Az exlicit séma éles felszínt ad, azonban a Courant szám < (kb. 0.25): Imlicit séma stacionárius módban is tud futni: Bekacsolni dt*v/dx Áramlás vízszintes olajkút környezetében Alkalmazási éldák Hullámok fürdőmedencében Üstmetalurgia: acél felszíne Mixture modell A mixture modell a többfolyadék (Eulerian) modell egyszerűsített változata. Sok esetben robosztusabb, kisebb a számítási költség és memóriaigény. A keverék kontinuitását, mozgásegyenletét és energia egyenletét, továbbá a másodlagos fázisok térfogatkoncentrázió egyenletét oldja meg. A másodlagos fázisok relatív sebességét algebrai összefüggés alaján számolja. Feltételezi, hogy a relatív sebesség azonnal beáll és jóval kisebb mint a keverék sebessége. Egységes turbulencia jellemzőket feltételez. Kavitációs modell és granulátum-ágy modell alkalmazható. A relatív sebesség számítása A Mixture modell araméterei v q f m a + egy tag turbulens áramlás esetén Bekacsolni Peremfeltételek fázisonként és keverékre (Helyette saját kélet is megadható UDF-ben.) a : a másodlagos fázisra ható térerő (az elsődleges fázis koordinátarendszerében) 2 d : a szemcsék relaxációs ideje 8q A Phases menüben: f : a szemcsék ellenállás tényezője. Több modell választható, az alaértelmezett modell a Shiller-Naumann modell: 0. 5 Re 0. 08Re f Re 000 Re 000 2

3 Buborékos forrás gőzfejlesztőben Néhány alkalmazás Üleedés homokfogóban Gázlándzsában kevert rothasztó tartály Levegőztetett gyógyszeriari fermentor Gas injector g Többfolyadék modell (Eulerian) Egy folytonos elsődleges fázisban elkeveredő diszerz fázis (l. szemcsék, buborékok, cseek) modellezésére alkalmas. Lehetővé teszi a fázisok elkeveredését és szearálódását is. Minden fázisra külön-külön megoldja a mozgásegyenletet, kontinuitást és energiaegyenletet, emellett követi a fázisarány változását. Minden megmaradási tételben összekacsolhatók egymással a fázisok (inter-hase interaction terms). Egységes nyomást feltételez, emellett a Granular modell esetében a szilárd szemcsék közötti erők figyelembe vehetők. Figyelembe vehető a fázisok közötti ellenállás, látszólagos tömeg (buborékok esetén), és a szemcsékre ható felhajtóerő (erősen nyíródó áramlásban). Minden fázisra külön számolhatók a turbulens jellemzők. Homogén reakciók és heterogén reakciók (l. szemcsék égése) modellezésére használható. Granuláris modellek granuláris hőmérséklet Elasztikus állaot Plasztikus állaot Viszkózus állaot Stagnáló üledék Lassú áramlás Gyors áramlás A feszültség a deformációtól függ A feszültség a deformációtól független Feszültség a deformációsebességtől függ A szemcsék a véletlenszerű mozgásukban energiát tárolnak, amelyet granuális hőmérséklettel fejezhetünk ki. A szilárd fázis nyomása és viszkozitása és diffúziója a -tól függ. -t növeli a szilárd fázis deformációja, csökkenti a rugalmatlan ütközések és a súrlódás a folytonos fázissal. Transzortegyenletből, (vagy sűrű granulátum ágyak esetén) algebrai összefüggésből számolják ki a granuláris modellek. Ezeket a mozgásformákat lehet Mixture vagy Eulerian modellel leírni a szemcsék közötti ütközési és súrlódási erők figyelembevételével. Nedves gőz modell A térfogati kondenzáció kezdeti stádiumát írja le Eulerian modellben. Fő alkalmazási területe: gőzturbinák és (egyéb erőművi alkatrészek) cseeróziójának elemzése. Feltételezi, hogy a víz fázis tömegaránya viszonylag kicsi (<0.2), a cseek az áramlással együtt mozognak, és nincsen közöttük közvetlen kölcsönhatás. Transzortegyenletekkel határozza meg a gőz tömegkoncentrációját és a cseek darabszám-koncentrációját. Beéített reális gáz modell és széles tartományban érvényes függvények a víz anyagjellemzőire. Csak sűrűség alaú megoldóval működik. Kavitáziós modell Nyomásváltozás okozta gőzkéződés és kondenzáció kis gőztartalom mellett. Vízturbinák és szivattyúk kavitációs jellemzőinek meghatározására. A gőzfázis kontinuitási egyenlete: v v vvv t 4 n : a gőz térfogatkoncentrációja; v : gőz sűrűsége; v v : gőzgázis sebessége; l : víz sűrűsége; n: buborékok térfogatkoncentrációja; v : telített gőznyomás (hőfok függvénye); : keverék nyomása. Gőzfázis kéződési rátája (kg/m -s). FLUENT rendszerben a kavitáció modell Mixture modellel és Eulerian modellel használható, három különböző modellváltozat áll rendelkezésre. 2 ( v ) Buboréknövekedés sebessége

4 Diszkrét fázis modell (DPM) A diszkrét fázis modell araméterei Részecskék mozgásának trajektóriáit határozza meg a folytonos fázisban. Alkalmazható a folytonos közegben diszergált szemcsék cseek modellezésére. Néhány jellemző iari alkalmazása: üzemanyag befecskendezés, szárítás, ciklonok, szénor tüzelés, hígáramú neumatikus szállítás. Stacionárius és instacionárius áramlásban is alkalmazható. A diszerz és folytonos fázis közötti tömeg, imulzus és hőátadás figyelembe vehető. A Dens DPM modell kivételével: Nem veszi figyelembe a szemcsék közötti kölcsönhatásokat; A diszerz fázis alacsony (<0%) térfogat-koncentrációban van jelen, azonban a tömegkoncentráció nagy is lehet; Feltételezi, hogy a részecskék áthaladnak a tartományon (nem hosszan tartózkodnak, mint l. szuszenzió vagy üleedés esetében). Tíus: -felületi -ontbeli - sray Anyag Kezdősebesség, méret stb. Injection anel! Léések száma Léésszám cellánként A szemcse mozgás alaegyenlete dv FD dt v v g Fother Ellenállás Gravitációs erő További erők: - Tehetetlenségi erő forgó koordináta-rendszerben; - Termoforézis (Termohoretic force) a hőmérséklet gradienssel ellentétes irányban; - Brown erő: gázmolekulák okozta véletlen lökdösés, sub-micron méretű szemcsékre vehető figyelembe, lamináris áramlásban (ha az energia egyenlet aktív). - Turbulens lökdösés; - A nyíró áramlás okozta felhajtóerő (Saffman s lift force); - Felhasználó által definiált további erők. A turbulencia hatása A részecskék róbálják követni a turbulens sebességingadozást. Ez a hatás a diszkrét fázis szóródásához vezet. Két megközelítés alkalmazható: Random Walk Model Particle Cloud Model u i ' 2k egy Gausseloszlású véletlen szám A DPM modell fali eremfeltételei Escae A részecske elhagyja a számítási tartományt. Tra Letaad a falon. Reflect Visszaattan a falról részben rugalmasan. Wall Jet A szemcsék a fal mentén csúsznak. (Nics jelentős filmkéződés). Wall Film Leírja a jelentős vastagságú fali film mozgását is (l. benzin befecskendezés vagy esővíz egy jármű felületén). Sray modellezés Elsődleges break-u: a fúvókából kiléő sugár nagyobb cseekre bomlik. Ezt befolyásolja a fúvóka méretei, kiléő sebesség és turbulencia rofilja is. A fúvóka fizikai araméterei alaján a cseméretet, a befecskendezési szöget és a befecskendezés időontját véletlenszerűen változtatja. Az Injections menüben 5 különböző sray modell választható (Atomizer models). Másodlagos break-u: A nagyobb cseek a relatív légáramlás miatt kisebb cseekre bomlanak. Utód folyadékcsomagok (Child arcels) indulnak el a nagy cse környezetéből. A Discrete Phase menüben választahók ki. ) Taylod Analogy Break-u (TAB) model: rúgó-tömeg-csillaító (felületi feszültség-tömeg-viszkozitás). Viszonylag kis Weber-szám (We<00) esetén alkalmazható. 2) Wave model: a nagy cseek felületén a légellenállás hatására hullámok alakulnak ki, amelyek felerősödnek és ez vezet a cse széteséséhez. A keletkezett cseek mérete a leggyorsabban erősödő hullámhossz alaján határozható meg. Megjegyzés: szemcse erózióra is vannak modellek. 4

5 Cseek ütközése, összetaadása A Dens DPM modell Egy szimulációs cellán belül található cseek összeütközhetnek. Ennek valószínűsége a cseek átmérőjétől és sebességétől függ. Az ütközés valószínűsége az ütközési térfogat és a cella térfogat arányával mérhető. Csak összetaadással és visszaattanással végződő ütközéseket vesz figyelembe. (A cse nem robbanhat több darabra.) A részecskék ütközését és súrlódását leíró erők számításához a szükséges a szemcsés fázis térfogataránya. A modell az Eulerian modellre éül, azonban diszerz fázisokra vonatkozó kontinuitást és mozgásegyenletet nem oldja meg (Eulerian rendszerben), hanem ezek mezőváltozóit a Lagrangian modellből veszi át. A szemcsék kölcsönhatásának számításához szükséges granuláris hőmérsékletet a folytonos fázisba interolált sebesség alaján számolja. Nem kell a részecske méret osztályokhoz különféle folytonos fázisokat definiálni, ez a Lagrangian modellel természetes módon megtörténik. Anyag és energiaátaáds DPM modellben (Law -0) Beéített összefüggésekkel vagy UDF-el Szemcse fűtése és hűtése (heating and cooling) Cse árolgása (evaoration) Cse forrása (drolet boiling) Kigázosodás (devolatilization) Felületi égés (surface combustion) Többkomonensű szemcsék (multicomonent article definition) 5