شبیه سازی بستر سیال در فلوئنت

شبیه‌سازی‌های بستر سیال به کمک ANSYS Fluent و OpenFOAM

هدف از این مطالعه، ارزیابی عملکرد نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS Fluent، برای مطالعه‌ی مشخصات بستر سیال حبابی (‏Bubbling Fluidized Bed) ‏با ذرات گِلدارت (ذرات ریز و نسبتاً چسبنده) A، B و D می‌باشد. برای ذرات B و D گِلدارت معمولی، هر دو آرایش استوانه‌ای سه‌بعدی و شبه دو بعدی برای اندازه‌گیری افت فشار بستر و کسر حجمی مواد جامد مورد استفاده قرار گرفتند، مورد دوم توسط تکنیک‌های پردازش تصویر انجام شده است. برای یک ذره از نوع A گِلدارت، به ویژه برای بررسی پدیده­‌های ایجاد حباب و اسلاگ شدن جریان (Slugging)، از آرایش استوانه‌ای دو متری با قطر داخلی کوچک استفاده شده است. هیدرودینامیکِ موارد بررسی شده برای جریان بستر سیال حبابی در هندسه‌ها و شرایط عملیاتی یکسان، با استفاده از اُپن فوم OpenFOAM و انسیس فلوئنت ANSYS Fluent در تعداد مشِ (شبکه) یکسان و تنظیمات عددی مشابه، انجام شده‌است.

الگوریتم عددی نرم افزارهای انسیس فلوئنت و اُپن فوم

به طور کلی، هر دو نرم افزار ANSYS Fluent و OpenFOAM برای حل کردن مسائل از یک ساختار عددی استفاده می­کنند. معادلات TFM با استفاده از روش حجم محدود (‏FVM) ‏برای هر دو فاز تحت یک فرضیه‌ که به صورت جریان تراکم ناپذیر و روش SIMPLE برای کوپلینگ معادلات فشار – سرعت است، حل می‌شوند. برخلاف نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS Fluent، برای مدل‌های چندفازی اویلری (Eulerian)، OpenFOAM اجازه می‌دهد تا حلگر، تکرارهای داخلی انجام دهد تا تعادل جرمی در هر تکرار ساده را با رویکرد فشار – ضمنی با تقسیم عملگرها اجرا شود (PISO). کوپلینگ بین فازها با نیروهای درگ انجام می­شود که در آن معادلات مومنتوم با استفاده از الگوریتم حذف جزئی، جفت می‌شوند.

شرایط تست آزمایشگاهی

در ابتدای مطالب این بخش، شکل مربوط به تجهیزات آزمایشگاهی مورد استفاده در کار حاضر نمایش داده شده است. در تمام آزمایش‌ها، سرعت گاز ظاهری برای به دست آوردن شرایط بستر سیال حبابی تنظیم شده‌است. از مشاهدات تجربی به عنوان مرجعی برای اعتبارسنجی شبیه سازی‌­های ارائه شده در بخش بعدی استفاده می­شود.

• آزمایش ۱: بستر سیال سه بعدی استوانه‌ای با ذرات گِلدارت B و D

برای ذرات گلدارت B از یک ستون استوانه‌­ای از جنس آکریلیک (acrylic) به قطر ۱۱ / ۰ متر و ارتفاع ۸۶ / ۰ متر استفاده شد. برای ذرات گلدارت D، از ستون­‌ کوچکتر با قطر ۰٫۰۵ متر و ارتفاع ۰٫۴۶ متر استفاده شد.

• آزمایش ۲: بستر سیال شبه دو بعدی برای ذرات گِلدارت B و D

برای این آزمایش، یک بستر سیال شبه دو بعدی آکریلیک با عرض ۰.۶ متر، ارتفاع ۰.۷۶ متر و عمق ۰.۰۲۵ متر در نظر گرفته شد.

پس از پردازش تصاویر، هر آرایه پیکسل دودویی (Binary) در بخش جامد ضرب و در نهایت میانگین وزنی پیکسل ها محاسبه شد.

• آزمایش ۳: چیدمان سه بعدی استوانه‌ای برای ذرات گِلدارت A

این آزمایش بر اساس مشاهدات آزمایشگاهی کونگ و همکارانش (Kong et al.) می­باشد. بستر سیال شامل یک ظرف اکریلیک استوانه‌ای به قطر ۰.۰۵ متر و ارتفاع ۲ متر پر شده با ذرات ماسه کریستوبالیت است که در اصل برای مطالعه رژیم‌های سیال اسلاگ ساخته شده‌است. در مکانیک سیالات، جریان اسلاگ در جریانِ دو فازی گاز – مایع، نوعی الگوی جریان است. 

نتایج و بحث

این بخش نتایج CFD آزمایشات توصیف شده را ارائه می دهد. برای جلوگیری از سنگین شدن مباحث در این مقاله، تنها مجموعه‌ای از شرایط عملیاتی برای مشاهده نتایج شبیه سازی انتخاب شده‌اند. در تمام شبیه سازی­‌هایی که از نرم افزارهای ANSYS Fluent و OpenFOAM کمک گرفته شده است از روش­‌های عددی و مش­‌های (شبکه‌های) مشابه استفاده شده است. هدف اول، مطالعه عملکرد نسبی از هر دو نرم افزار برای رسیدگی به شرایط بستر سیال استاندارد بر روی ذرات B و D گلدارت است، که به طور گسترده از طریق CFD در مقالات مورد بررسی و تایید قرار گرفته‌است. سپس عملکرد دو نرم افزار در شرایط چالش برانگیز تری مورد بررسی قرار گرفته است که شامل بستر سیال اسلاگ ذرات گلدارت A می‌باشد.

این مطالعه به دنبال مطرح کردن وضعیت کنونیِ نرم افزار های انسیس فلوئنت و اُپن فوم و درک محدودیت‌های امکان‌سنجی TFM و پیاده‌سازی آن بر روی دو کد CFD است که امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

نتیجه ­گیری

مقایسه بین نتایج تجربی و شبیه سازی نشان داد که ANSYS Fluent و OpenFOAM پیش بینی منصفانه‌­ای از حباب و کسرهای جامد برای ذرات آزاد حباب (Freely-Bubbling) گلدارت B و D برای آرایش شبه دو بعدی ارائه می­دهند. اگرچه ANSYS Fluent در پیش بینی اندازه حباب‌­ها دقت کمتری داشت. با توجه به منحنی سیالیت برای ذرات گلدارت B، هر دو کد زمانی که قانون درگ تحت‌ تاثیر کروی بودن ذرات قرار می­گیرد، نتایج دقیق­تری را در مقایسه با آزمایش‌ها ارائه می‌دهند. برای ذرات گلدارت D انسیس فلوئنت تطابق بهتری با نتایج تجربی در مقایسه با OpenFOAM در منطقه سیال سازی نشان می‌دهد، که در آن انتظار شکل‌گیری جریان اسلاگ می‌رود. برای ذرات گلدارت A، که در حالت جریان اسلاگ عمل می­کنند، پیش بینی­‌های کیفی مجدداً بسیار منصفانه هستند، اما برای مقادیر عددی، ویژگی­‌های مربوط به جریان اسلاگ (طول ، سرعت و فرکانس)، با وجود برخی اختلاف­‌ها در پیش بینی سرعت برای بالاترین مقدار سرعت ظاهری، استفاده از OpenFOAM پیشنهاد می­شود.

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