مدلسازی جوشش در نرم افزار فلوئنت

زمان مطالعه: 4 دقیقه

مفهوم جوشش، منحنی جوشش و انواع آن

در این مقاله ما در مورد جوشش Boiling، منحنی جوشش و انواع آن صحبت می­کنیم. جوشش یک نگرانی عمده برای هر صنعت حرارتی است. این اتفاق پدیده­ای است که در آن آب به بخار تبدیل می­شود یا می­توان گفت این یک فرآیند تغییر فاز از حالت مایع به حالت گاز است. هنگامی که مایع تا دمای اشباع خود گرم می‌شود (‏دمایی که در آن مایع شروع به تبدیل به بخار می‌کند)‏، فشار بخار آن بیشتر از فشار محیط اتمسفر می‌شود. به دلیل این اختلاف فشار، ذرات مایع شروع به حرکت به درون اتمسفر می‌کنند. این فرآیند را جوشش می­نامند. مدلسازی این پدیده در نرم افزار فلوئنت یکی از مباحث بسیار مورد توجه و البته پرچالش است.

مدلسازی جوشش در نرم افزار فلوئنت- مرجع تخصصی آموزش نرم افزار انسیس و فلوئنت

جوشش چیست ؟

با انجام دادن آزمایش زیر به راحتی می­توان جوشش را درک کرد :

بیایید آب را به درون یک ظرف رو باز بریزیم و آن را در دمای اتاق قرار دهیم. ظرف رو باز است بنابراین فشار اعمال‌شده توسط محیط اطراف به آب، فشار جو است. حال ظرف را روی آتش قرار داده و به آن حرارت می­دهیم. اینکار باعث افزایش انرژی و دمای آب می­شود. به دلیل این انرژی، فشار بخار آب نیز افزایش می‌یابد. پس از گرمایش پیوسته به نقطه‌ای می‌رسیم که در آن فشار بخار آب برابر با فشار اتمسفر می‌شود. به این نقطه، نقطه جوش گفته می­شود. افزایش بیشتر دما باعث افزایش فشار بخار می‌شود و باعث می­شود فشارش  از فشار جو بیشتر گردد که باعث حرکت ذرات آب به داخل اتمسفر می‌شود. افزایش بیشتر دما باعث تبدیل کل آب به بخار می­گردد. این پدیده به جوشش معروف است.

دمای شروع جوشش به عنوان دمای اشباع در فشار ثابت شناخته می­شود. دمای اشباع آب در فشار اتمسفر ۱۰۰ درجه سانتیگراد است. اگر فشار افزایش یابد دمای اشباع نیز افزایش پیدا می­کند.

منحنی جوشش و انواع آن

بیایید نگاهی به منحنی زیر بیاندازیم:

مدلسازی جوشش در نرم افزار فلوئنت- مرجع تخصصی آموزش نرم افزار انسیس و فلوئنت

منحنی بالا به منحنی جوشش معروف است. این منحنی بر اساس پدیده انتقال حرارت به چهار ناحیه تقسیم شده است. 

جوشش با مکانیزم انتقال حرارت جابجایی طبیعی (Natural Convection Boiling)

از مبدا تا نقطه‌ی A اولین منطقه‌­ای است که در آن فرآیند انتقال حرارت به صورت جابجایی آزاد صورت می­گیرد. ذرات آبی که با سطح گرمایش داده شده در ارتباط هستند، گرما را از سطح می‌گیرند و در بالا شروع به حرکت می­کنند. حالا سایر ذرات فضای خالی را اشغال کرده و به‌وسیله گرمای سطح گرم شده، این ذرات شروع به گرم شدن می­کنند. این روند به طور مداوم ادامه می­یابد تا آب کاملاً به بخار تبدیل شود.

جوشش هسته‌­ای (Nucleate Boiling)

ناحیه بعدی (AC) به عنوان منطقه هسته‌­ای یا جوشش از نوع هسته­‌ای شناخته می­شود. این ناحیه مطلوب­‌ترین قسمت جوشش است که بسیاری از صنایع از آن استفاده می­کنند. در این منطقه، حباب­‌ها تشکیل می­شوند. ذرات آبی که با سطح گرم شده در ارتباط هستند بخار شده و به حباب تبدیل می­شوند. این حباب‌ها در بالای مایع حرکت می‌کنند و فرو می‌ریزند. خود این منطقه را می توان به دو منطقه دیگر تقسیم کرد.

اولی توسط AB نشان داده می‌شود که در آن تشکیل حباب رخ می‌دهد و حباب‌ها شروع به حرکت در سمت بالا می‌کنند. این حباب‌ها از آبی که در زیر دمای اشباع خود قرار دارد عبور می‌کنند. بنابراین حباب‌ها گرمای خود را به ذرات آب احاطه شده منتقل می‌کنند و به درون آب فرو می‌روند.

منطقه دیگر BC است که در آن کل آب در دمای اشباع تبدیل شده و حباب‌ها شروع به عبور از آب احاطه شده می‌کنند. آن‌ها گرمایشان را به محیط اطراف انتقال نمی‌دهند و در بالای مایع فرو می‌ریزند و بخار را به محیط اطراف خود آزاد می‌کنند. این پدیده جوشش به جوشش هسته­‌ای معروف است. این منطقه بیشترین میزان نرخ انتقال حرارت را فراهم می­کند. بالاترین نقطه در منحنی، در ناحیه جوشش هسته­‌ای به عنوان نقطه شار حرارتی بحرانی شناخته می‌شود.

جوشش گذار (Transition Boiling)

ناحیه سوم که با CD نشان داده می­شود به عنوان منطقه گذار شناخته می­شود. این منطقه چیزی جز یک منطقه واسط میان جوشش هسته‌­ای و جوش فیلم (Film Boiling) نیست. این بخش به دلیل پایین بودن نرخ انتقال حرارت، ناحیه­‌ی بسیار نامطلوبی از منحنی جوشش است. در این ناحیه ذرات آبی که مرتبط با سطح گرم شده هستند، به بخار تبدیل می‌شوند و یک پوشش بخار تشکیل می‌دهند. این پوشش نرخ انتقال حرارت ضعیفی دارد در نتیجه دیگر ذرات مایع به سختی می‌توانند گرما را از منبع دریافت کنند. به این دلیل است که انتقال حرارت در این ناحیه از نرخ پایینی برخوردار است و یک ناحیه نامطلوب تلقی می­گردد. پایین­‌ترین نقطه ناحیه گذار به عنوان نقطه Leidenfrost شناخته می­شود.

جوشش فیلم (Film Boiling)

آخرین قسمت از منحنی، به عنوان جوشش فیلم شناخته می‌شود. این منطقه نرخ انتقال حرارت بسیار بالایی دارد. با خط DE در منحنی جوشش نشان داده می­شود. این منطقه دارای بیشترین اختلاف دما بین آب و منبع گرمایی است. وقتی این اختلاف دمایی را بیشتر کنیم، سرعت انتقال حرارت به طور مداوم افزایش پیدا می­کند. در این ناحیه بیشتر گرما بواسطه مکانیزم انتقال حرارت تشعشعی منتقل می­شود. هنگامی که دمای منبع گرما را بعد از عبور از ناحیه گذار افزایش می­دهیم، چگالی پوشش بخار کاهش می‌یابد و ناحیه انتقال حرارت تشعشعی­‌ بین ذرات مایع و منبع گرما شکل می‌گیرد. به همین دلیل این منطقه افزایش قابل توجهی در سرعت انتقال حرارت از خود نشان می­دهد.


برای مشاوره و آموزش خصوصی و یا انجام شبیه سازی با محوریت آموزشی و با موضوع “شبیه سازی جوشش در نرم افزار فلوئنت” از طریق این لینک با ما در ارتباط باشید.


 

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سبد خرید
WordPress PopUp Plugin
ضمن تبریک روز مهندس کد تخفیف Engineer_Day تا 10 اسفند فعال شد.
+ +
پیمایش به بالا