الگوهای جریان دو فازی جریان گاز ـ مایع

الگوهای جریان گاز-مایع

الگوهای جریان دو فازی جریان گاز ـ مایع

الگوهای جریان گاز-مایع

موضوع جوشش و چگالش تحت شرایط جابجایی آزاد یا اجباری موضوع حائز اهمیتی در زمینه پژوهش‌های تحقیقاتی و صنعتی می‌باشد.

طراحی بویلرهای لوله‌ آب و لوله آتش، تجهیزات تهویه مطبوع و تبرید، پمپ حرارتی، کندانسورها و سایر قسمت‌های مهم در صنایع پتروشیمی و نیروگاه‌ها بر اساس دانش دینامیک سیالات و انتقال حرارتی است که در طی فرآیندهای جوشش و چگالش اتفاق می‌افتد. از آنجا که طی فرآیندهای یاد شده فاز دیگری نیز به فاز اولیه اضافه می‌شود بررسی همزمان هر دو فاز حائز اهمیت خواهد بود.

در ادامه الگوهای جریان برای یک جریان گاز-مایع در حالت‌های مختلف ارائه شده‌اند.

الگوی جریان برای یک جریان گاز-مایع به سمت بالا در لوله عمودی

جریان حبابی bubbly flow:

در جریان حبابی، گاز یا فاز بخار در داخل فاز مایع پیوسته به صورت حباب پراکنده شده است. در یک قسمت از لوله حباب‌ها ممکن است بسیار کوچک و کروی باشند و در قسمت دیگر بزرگ و کشیده (سر کروی و دم تخت) باشند. این حالت زمانی اتفاق می‌افتد که دبی فاز گاز نسبت به مایع خیلی کم باشد.

جریان اسلاگ slug flow:

با افزایش دبی فاز گازی حباب‌ها به هم می‌چسبند. در جریان اسلاگ، قطر حباب‌های بخار یا گاز با قطر لوله تقریبا برابر می‌شود. دماغه حباب‌ها شکل کروی دارد و گاز داخل حباب‌ها از دیواره لوله توسط یک فیلم نازک مایع که به سمت پایین حرکت می‌کند جدا می‌شود. در پشت حباب‌های اصلی ممکن است حباب‌های گازی کوچکتر دیده شود.

جریان چرن churn flow:

جریان چرن از شکستن حباب‌های بزرگ که در جریان اسلاگ تشکیل شده بودند به وجود می‌آید. گاز یا بخار  به صورت بی‌نظم در داخل مایع و دور از دیواره لوله حرکت می‌کند. ماهیت جریان نیز متغیر با زمان است. به این جریان، جریان نیمه حلقوی یا حلقوی اسلاگ نیز اطلاق می‌شود.

جریان حلقوی باریک wispy-annular:

جریان در این ناحیه از یک فیلم مایع ضخیم بر روی دیواره لوله با مقادیر قابل توجهی از مایع که در هسته بخار یا گاز وارد شده است، تشکیل می‌شود. فیلم مایع خود شامل حباب‌های گازی کوچک می‌باشد و قطرات مایع داخل هسته گازی به صورت توده‌ای حرکت می‌کنند. این جریان زمانی اتفاق می‌افتد که دبی جریان گازی زیاد باشد.

جریان حلقوی annular flow:

جریان حلقوی از فیلم مایع بر روی دیواره لوله و هسته بخار یا گاز تشکیل می‌شود. بر روی سطح فیلم، امواج با دامنه بزرگ تشکیل می‌شوند که از شکستن این امواج مقادیر قابل توجهی قطره مایع وارد هسته بخار یا گاز می‌شوند. از این حیث، نقطه تمایز این جریان از جریان حلقوی باریک در این می‌باشد که قطرات از هم جدا هستند و به صورت توده‌ای حرکت نمی‌کنند.

الگوهای جریان دو فازی گاز-مایع

الگوی جریان برای یک سیال در یک لوله تبخیر عمودی:

حالت بعدی الگوهای جریان برای یک سیال که وارد لوله عمودی شده و تحت انتقال حرارت قرار می‌گیرد است.

در این حالت جریان با حالت مایع زیر دمای اشباع وارد لوله می‌شود و در نهایت به صورت بخار اشباع خارج می‌شود. در این حالت نیز تمام الگوها مثل حالت قبل است با این تفاوت که الگوی چرن اتفاق نمی‌افند و بعد از جریان حلقوی فیلم مایع نیز بخار می‌شود.

الگوهای جریان دو فازی گاز-مایع
الگوی جریان در یک لوله تبخیر عمودی

در این حالت الگوی جریان تحت تاثیر گرانش عدم تقارن دارد. الگوهای دیده شده در یک لوله افقی برای جریان گاز-مایع به صورت زیر هستند:

جریان حبابی bubbly flow:

الگوی جریان شبیه حالت عمودی است با این تفاوت که حباب‌ها اکثرا در نیمه بالایی لوله جریان دارند.

جریان پلاگ plug flow:

این الگو شبیه الگوی اسلاگ در لوله عمودی است در این حالت نیز حباب‌ها در نیمه بالایی لوله جریان دارند.

جریان لایه لایه stratified flow:

این الگو فقط در حالتی اتفاق می‌افتد که سرعت‌های بخار و مایع بسیار پایین باشد.

دو فاز توسط یک سطح مشترک تقریبا صاف از همدیگر جدا می‌شوند.

جریان موجی wavy flow:

با افزایش سرعت بخار، سطح مشترک بین دو فاز به خاطر حرکت امواج در راستای جریان دچار اغتشاش می‌شود.

جریان اسلاگ slug flow:

افزایش سرعت بخار باعث می‌شود ارتفاع امواج سطح مشترک زیاد شود و به دیواره بالایی برسد.

این حالت سپس از بین می‌رود و دوباره تکرار می‌شود.

جریان حلقوی annular flow:

در نهایت افزایش سرعت بخار باعث ایجاد تشکیل هسته گازی در وسط و یک فیلم مایع در پیرامون دیواره لوله می‌شود.

فیلم مایع در سمت پایین لوله ضخیم‌تر می‌باشد.

الگوهای جریان دو فازی گاز-مایع

الگوهای جریان در جریان گاز-مایع لوله افقی

بیشتر بخوانید: روش‌های حل جریان چندفازی

الگوی جریان برای یک سیال در یک لوله تبخیر افقی

در این حالت به علت توزیع و طبقه‌بندی نامتقارن فازها، شکل الگوهای جریان نسبت به لوله عمودی پیچیده‌تر می‌شود. البته در لوله  تبخیر افقی جریان لایه لایه اتفاق نمی‌افتد. این الگوها برای زمانی است که لوله تحت شار حرارتی کم قرار دارد و مایع زیر دمای اشباع وارد لوله می‌شود. همچنین سطوح بالایی لوله خیلی زودتر نسبت به سطوح پایینی دچار خشک شدگی می‌شوند.

الگوهای جریان دو فازی گاز-مایع

الگوی جریان در یک لوله تبخیر افقی

منبع:   Convective Boiling and Condensation, John G. Collier

, , , , , , , , , , , , , , , , ,
نوشتهٔ پیشین
معرفی خواص مواد کامپوزیت در ANSYS Workbench
نوشتهٔ بعدی
روش‌های حل جریان چندفازی

مقالات مرتبط