مبانی جریان دوفازی (بخش سوم)

۵ ماه قبل ۲۰۶ ۰

الگوهای جریان دوفازی

الگوهای جریان دوفاز در واقع حالات توزیع فصل مشترک بین دوفاز گاز و مایع می‌باشد. به عبارت دیگر الگوی جریان، حالات مختلف قرارگیری فازهای بخار و مایع در طول کانال یا خط انتقال می‌باشد. و همانطور که گفته شد انتقال جرم، ممنتوم و انرژی بین فازهای مایع و گاز و مرزهای خارجی بستگی به الگوی جریان دارد. بطور مثال روابط افت فشار و انتقال حرارت برای دو الگو، متفاوت از یکدیگر است. بنابراین به منظور استفاده از روابط مناسب تجربی و یا انتخاب مدل مناسب برای شبیه‌سازی جریان لازم است ابتدا الگوی جریان مشخص گردد. عوامل مختلفی بر الگوی جریان تاثیرگذار می‌باشد که می‌توان به موارد زیر اشاره نمود.

* موقعیت خط لوله: با توجه به تاثیر گرانش بر الگوی جریان، اینکه خط لوله افقی، قائم یا مایل باشد بر الگوهای نتیجه شده تاثیرگذار است.

* شکل هندسی خط لوله: بطور مثال، سطح مقطع دایروی و سطح مقطع مربعی الگوهای متفاوتی را نتیجه می‌دهند.

*  جهت جریان: الگوی جریان در لوله‌های عمودی و مایل، اگر جهت جریان از بالا به پایین باشد با حالتی که جهت جریان از پایین به بالا باشد، متفاوت خواهد بود.

* خواص فیزیکی نظیر لزجت، چگالی فازها

* شدت جریان هر یک از فازها

* شار حرارتی وارد بر دیواره لوله

با در نظر گرفتن هندسه مبدل حرارتی لوله موئین خط مکش، در ادامه به معرفی الگوهای جریان دوفازی در لوله افقی مطابق شکل 5 می‌پردازیم.

الگوهای جریان دوفازی برای لوله های افقی

جریان حبابی: در خطوط لوله افقی در مواردی که نرخ حجمی گاز نسبتاً کم و نرخ حجمی مایع نسبتاً زیاد باشد جریان حبابی بصورت حباب‌‌های کوچک گاز تحت تاثیر اختلال چگالی در قسمت فوقانی لوله ظاهر می‌‌‌شود. با افزایش نرخ حجمی فاز گاز اندازه حباب‌‌ها بتدریج افزایش می‌‌یابد.

جریان توپی یا قالبی: با افزایش سرعت فاز گاز در جریان حبابی تعداد حباب‌‌های فاز گازی افزایش می‌‌یابد. بطوریکه از برخورد و بهم پیوستن آن‌‌ها حباب‌‌های بزرگ و توپی شکل نزدیک به جداره بالایی لوله تشکیل می‌شود. این نوع جریان، جریان توپی یا قالبی نامیده می‌‌شود.

جریان لایه‌‌ای: در این نوع الگوی توزیع فازهای مایع و گاز کاملاً از هم جدا هستند و فاز گاز که عموماً دارای سرعت بیشتری نسبت به فاز مایع می‌‌باشد و در قسمت فوقانی و مایع در ناحیه پایین درون لوله حرکت می‌‌کنند همچنین تداخل بین دو فاز بندرت صورت می‌‌گیرد و فصل مشترک بین آنها نسبتاً منظم و صاف می‌‌باشد.

جریان موجی: در جریان لایه‌‌ای اگر سرعت پیدایش گاز مجدداً افزایش یابد، بین فاز گاز و مایع تنشی ایجاد می‌‌شود که خود باعث پیدایش امواج در فصل مشترک می‌‌شود که این امواج در امتداد جریان حرکت می‌‌کنند.

جریان لخته‌‌ای: در خطوط لوله افقی و مواردی که نرخ جریان مایع زیاد باشد افزایش سرعت گاز منجر به افزایش دامنه موج‌‌های سطحی مایع در فصل مشترک گاز و مایع می‌‌شود که ضمن آن موج‌‌ها به جداره فوقانی لوله برخورد کرده و لخته‌‌های مایع تشکیل می‌‌شود. لخته‌‌های مایع در چنین حالتی می‌‌توانند باعث لرزشهای شدید و در برخی موارد ایجاد خطر درون تجهیزات واقع در مسیر خطوط لوله و مراکز جمع‌‌آوری شوند. از ویژگی‌‌های این نوع رژیم جریان می‌‌توان از نوسانات منظم در تغییرات فشار و مقدار مایع تجمع یافته نام برد که معیار مناسبی برای تشخیص این نوع رژیم جریان می‌‌باشد.

جریان حلقوی: در این نوع جریان دو فاز گاز و مایع بصورت دو استوانه متداخل درون لوله جاری خواهند شد. بررسی دقیق این نوع الگوی جریان به جهت تعیین میزان خوردگی سایشی و افزایش بازدهی خط انتقال پیش‌‌بینی مقدار مایع تجمع یافته و تعیین ضخامت فیلم مایع روی دیواره لوله و محاسبه افت فشار سیال جهت طراحی خطوط لوله انتقال و تجهیزات انتهایی آن از اهمیت خاصی برخوردار است.

جریان قطره‌‌ای: با افزایش نرخ جریان فاز گاز در جریان حلقوی، فاز گاز فاز مایع را بصورت قطرات ریزی انتقال خواهد داد. در مواردی که نرخ جریان گاز نسبتا زیاد و نرخ جریان مایع نسبتاً کم باشد، فاز مایع در داخل فاز گاز بصورت ذرات بسیار ریز و پراکنده تبدیل شده و اصطلاحاً فضایی شبیه مه بوجود می‌‌آید. در این حالت رژیم جریان رامه‌‌آلود می‌‌نامند. بعضی از خطوط انتقال سیستم گاز میعانی در مواقع خاصی در این الگوی جریان قرار دارند.

جریان دوفازی

مدل های جریان دوفازی

متد آنالیز جریان دو فاز مانند جریان تک فاز است.  در بررسی جریان دو فاز از یکی از سه مدل مربوط به جریان دوفاز استفاده می‌‌‌‌شود. در حقیقت معادلات اصلی بقاء جرم و مومنتوم و انرژی نوشته شده و با فرضیاتی ساده شده که نتیجه این ساده شدن می تواند یکی از سه مدل زیر باشد. در واقع هر سری از این فرضیات منجر به یک مدل خاص می‌‌‌‌شوند، و در نهایت مدل انتخاب شده با روش مناسب حل می‌‌‌‌شوند.

* مدل همگن

* مدل دو سیال مجزا

* مدل مخلوط دو فاز

در ادامه مشخصات هر یک از مدل‌‌‌‌های جریان دو فاز را به اختصار بیان می‌‌‌‌کنیم.

مدل همگن

در این مدل دو فاز را به صورت یک فاز مجازی در نظر می‌‌‌‌گیرند که دارای خواص متوسط دو فاز می‌‌‌‌باشد و مانند یک سیال تک فاز از قوانین معمول این جریان‌‌‌‌ها پیروی می‌‌‌‌کند. در حقیقت اختلاف بین دما، سرعت و پتانسیل شیمیایی باعث انتقال حرارت، انتقال مومنتوم و انتقال جرم بین دو فاز خواهد شد. اما به دلیل اینکه این فرآیندهای انتقالی سریع اتفاق می‌‌‌‌افتد می‌‌‌‌توان فرض کرد که حالت تعادل وجود دارد، که دراین حالت مقدار دما و سرعت و پتانسیل شیمیایی هر یک از فازها برابر خواهند بود و جریان متعادل همگنی وجود خواهد داشت. همچنین در این مدل از لغزش بین دو فاز صرفنظر می‌‌‌‌شود و دو فاز با سرعت‌‌‌‌های یکسانی حرکت می‌‌‌‌کنند. این مدل به طور گسترده در تحلیل و بررسی لوله‌‌‌‌های موئین استفاده شده است. فرضیات این مدل را می‌‌‌‌توان به صورت زیر بیان کرد:

* سرعت فاز مایع و بخار برابر است (ug = uf)

* تعادل ترمودینامیکی بین دو فاز وجود دارد.

مدل دو سیال مجزا

در این مدل از لغزش بین دو فاز صرفنظر نمی‌‌‌‌شود و لغزش بین دو فاز یک مسئله اساسی است. این مدل با در نظر گرفتن دو فاز به طور جداگانه فرموله می‌‌‌‌شود و در نتیجه آن دو دستگاه معادلات برای جرم، مومنتوم و انرژی بدست می‌‌‌‌آید. در مدل دو سیالی، جریان دو فازی به دو منطقه تک فاز با مرزهای متحرک تقسیم می‌‌‌‌شود.

مدل مخلوط دوفاز

در این مدل در واقع با یک فاز مخلوط مواجه هستیم که توجه بیشتر در این مدل بر روی لغزش بین دو فاز می‌‌‌‌‌باشد. این مدل شامل یک معادله پیوستگی و یک معادله مومنتوم برای مخلوط دو فازی است. در این مدل از یک رابطه جبری برای ارتباط دادن سرعت دو فاز استفاده می‌‌‌‌شود. این مدل برای جریان‌‌‌‌هایی که در آنها بر هم کنش‌‌‌‌های قوی میان دو فاز وجود دارد، جواب‌‌‌‌های بسیار خوبی ارائه می‌‌‌‌کند. به عنوان مثال این مدل برای الگوهای جریان حبابی و لخته‌‌‌‌ای جواب‌‌‌‌های خوبی ارائه می‌‌‌‌دهد.

 

 

نگارش : محمد جعفر نیری

منبع : Collier, J.G. and J.R. Thome, Convective boiling and condensation. 1994: Clarendon Press


۰ دیدگاه