جریان دوفازی حباب هوا در آب در زانویی با زاویه 90 درجه

شبیه‌سازی عددی جریان دوفازی حباب هوا در آب داخل زانویی ۹۰ درجه

شرح مسئله

در این پروژه، حرکت و رفتار دوفازی حباب‌های هوا در آب درون یک زانویی ۹۰ درجه به‌صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. هدف اصلی تحلیل نحوه جابه‌جایی، ادغام، تغییر شکل و تأثیر هندسه زانویی بر توزیع فازها و میدان جریان است. این مطالعه برای کاربردهایی مانند سیستم‌های انتقال آب، پمپ‌ها و خطوط لوله چندفازی اهمیت دارد.

هندسه و شرایط مرزی

• هندسه سه‌بعدی زانویی با شعاع انحنا و قطر داخلی مشخص در ANSYS SpaceClaim طراحی شده است.

• شرایط مرزی به‌صورت زیر تعریف شدند:

  • ورودی سرعت برای هر دو فاز آب و هوا

  • خروجی با فشار مرجع (۰ گیج)

  • دیواره‌ها با شرط بدون لغزش (No-Slip)

• دامنه محاسباتی به‌گونه‌ای تعریف شد که تطابق مناسبی با جریان پایدار و گذرای دوفازی فراهم کند.

شبکه‌بندی

• شبکه‌سازی در ANSYS Meshing انجام شد.

• برای افزایش دقت، از ریزشبکه در نواحی نزدیک دیواره و مسیر انحنای زانویی استفاده شد تا رفتار پیچیده جریانات برشی و تجمع یا جدایش حباب‌ها به‌درستی ثبت شود.

• کیفیت شبکه با معیارهای مناسب برای شبیه‌سازی‌های transient و دوفازی کنترل شد.

مدل فیزیکی و معادلات حاکم

• جریان آشفته با استفاده از مدل k–ε شبیه‌سازی شده است، که توانایی مناسبی در پیش‌بینی انرژی جنبشی آشفتگی و توزیع توربولانس در زانویی دارد.

• برای شبیه‌سازی دوفازی، از مدل Mixture استفاده شد. این مدل امکان:

  • لحاظ لغزش بین فازها

  • محاسبه چگالی و چسبندگی مخلوط

  • دنبال‌کردن مسیر حباب‌ها

  • ثبت جدایش و ادغام فازها
    را فراهم می‌کند.

حل عددی و تنظیمات سالور

• حلگر در حالت ناپایدار (Transient) تنظیم شد تا پدیده‌های گذرا مانند حرکت واقعی حباب‌ها، تغییر شکل آن‌ها و تعامل با دیواره زانویی به‌طور دقیق دنبال شود.

• الگوریتم فشار–سرعت مناسب برای حل دوفازی استفاده شده و گام زمانی کوچک انتخاب شد تا رفتار لحظه‌ای حباب‌ها قابل‌مشاهده باشد.

نتایج شبیه‌سازی

• مسیر حرکت حباب‌ها نشان داد که در ناحیه خم زانویی، به دلیل افزایش نیروی گریز از مرکز، حباب‌ها تمایل به تجمع در دیواره خارجی دارند.

• مدل Mixture به‌خوبی پدیده‌های ادغام و جابه‌جایی حباب‌ها را ثبت کرد.

• تغییرات فشار و سرعت در زانویی، الگوی جریان پیچیده‌ای ایجاد کردند که بر اندازه و سرعت حرکت حباب‌ها تأثیر مستقیم گذاشت.

• رفتار آشفته‌ی جریان نیز با استفاده از مدل k–ε به‌خوبی پیش‌بینی شد و توزیع انرژی جنبشی آشفتگی نشان‌دهنده افزایش آشفتگی در نواحی نزدیک انحنا بود.

جمع‌بندی

این پروژه نشان داد که ترکیب مدل k–ε با Mixture برای شبیه‌سازی جریان دوفازی در زانویی دارای دقت بالایی است و امکان بررسی دقیق رفتار گذرا، ادغام حباب‌ها و الگوی سرعت را فراهم می‌کند. هندسه زانویی نقش مهمی در توزیع حباب‌ها و تغییر شدت آشفتگی دارد و نتایج این تحلیل می‌تواند در بهینه‌سازی تجهیزات انتقال سیال کاربرد داشته باشد.

برچسب‌ها

جریان دوفازی، Mixture، حباب هوا، k–ε، زانویی ۹۰ درجه، ANSYS Fluent، آشفتگی، شبیه‌سازی عددی، لغزش فازها، جریان ناپایدار، CFD، فشار، میدان سرعت، شبکه‌بندی، SpaceClaim، Meshing، رفتار گذرا، ادغام حباب‌ها، چرخش جریان، انحنا، هندسه سه‌بعدی، مومنتوم، تداوم، گرانش، شناوری، نیروهای فازی، مرز بدون لغزش