عنوان

بررسی آزمایشگاهی و مدلسازی عددی جریان تحت فشار دو فازی گذرا

‭۱۵۶۰۵پ‬

per

بررسی آزمایشگاهی و مدلسازی عددی جریان تحت فشار دو فازی گذرا

/محسن بشارت

: فنی مهندسی عمران

، ‮‭۱۳۹۵‬

چاپی

کارشناسی ارشد

مهندسی عمران سازه‌های هیدرولیکی

‮‭۱۳۹۵/۰۴/۲۰‬

تبریز

تحقیق حاضر کاری است جهت مطالعه‌ی آزمایشگاهی و مدلسازی عددی جریان گذرای تحت فشار داخل لوله در شرایط وجود حجمی از هوا در سیستم که با هدف بررسی دقیق‌تر این حالت صورت گرفته است .شرایط جریان گذرا داخل سیستم‌های تحت فشار شرایط پیچیده و مشکل‌سازی است که در صورت وجود هوای محبوس داخل سیستم، بر پیچیدگی این شرایط افزوده می‌شود .این شرایط می‌تواند منجر به بروز مشکلات جدی در سیستم به دلیل افزایش شدید و ناگهانی فشار گردد .با توجه به رشد صنعتی جامعه و لزوم بررسی دقیق‌تر موارد مشابه در خطوط انتقال مایعات، موضوع اشاره شده با دو هدف مورد مطالعه قرار گرفت .الف (بررسی آزمایشگاهی رفتار هوای محبوس در دو حالت اعمال فشار آنی و رویداد ضربه قوچ و امکان کنترل و ذخیره موج فشاری ناشی از یک رخداد گذرا مانند ضربه قوچ در داخل حجم هوا، ب (بررسی دقیق نحوه تغییرات فشار و سایر مشخصات جریان در سیستم توسط روش‌های نوین دینامیک سیالات محاسباتی، با استفاده از یک مدل آزمایشگاهی، تغییرات فشار در داخل جریان و هوای محبوس در خلال پدیده‌هایی مانند اعمال فشار آنی بر هوای محبوس و ضربه قوچ مورد مطالعه قرار گرفت .این شرایط منجر به تغییرات بسیار شدید و سریع در فشار داخل سیستم شد .نتایج مهمی در زمینه نحوه تغیرات فشار، جابجایی مرز جدایی آب و هوا و ارتباط بین پارامترهای مختلف در هوای محبوس بدست آمد که می‌تواند کمک شایانی به طراحی سیستم‌های واقعی باشد .همچنین یک مدل عددی برای محاسبه فشار در این شرایط با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی ایجاد گردید .با توجه به اینکه در این حالت چندین شرایط پیچیده شامل آشفتگی بالا، تراکم‌پذیری، وجود دوفاز متفاوت) هوا و آب(، تغییرات بسیار سریع مشخصات جریان، اجزای متحرک) شیرها (و وجود مرز جدایی بین مایع و گاز به صورت همزمان وجود دارد مطالعات دقیقی در زمینه نحوه مدلسازی آن با استفاده از مدل‌های مناسب صورت پذیرفت .با توجه به حرکت شیرها و لزوم وجود شیرهای یکطرفه در سیستم مدلسازی این شرایط بسیار چالش برانگیز بود .تحقیق حاضر با بررسی دقیق پارامترهایی مانند‮‭y‬ + ، مدل آشفتگی، مدل تعیین مرز جدایی، تعداد و اندازه‌ی سلول‌ها، نحوه‌ی ایجاد شبکه در لایه‌ی مرزی و مواردی از این دست شبیه‌سازی دقیقی از نتایج آزمایشگاهی ارایه می‌دهد که همخوانی خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد .در این راستا نحوه‌ی تولید شبکه و آنالیزهای استقلال از شبکه جهت درک بیشتر این مساله انجام شد است .همچنین با انجام مطالعات ترمودینامیکی لازم از نتایج آزمایشگاهی، رفتار هوای محبوس در جریان بررسی گردید و امکان ذخیره‌ی انرژی به صورت فشار در داخل آن مورد مطالعه قرار گرفت .نتایج نشان می‌دهد که نسبت‌های متفاوت هوای محبوس در داخل یک مخزن هوای فشرده عملکردهای بسیار متفاوتی در کنترل فشار بالا با تغییرات سریع ناشی از یک پدیده گذرا مانند ضربه قوچ را دارد .همچنین در این پژوهش نسبت هوای ‮‭۱۰‬ تا ‮‭۲۰‬ درصد به عنوان بهترین محدوده برای هوای موجود در سیستم تشخیص داده شد .

Current work presents an experimental and numerical study of the transient flow under the two-phase condition inside a pressurized system. Pressurized transient flow conditions are known as complicated and problematic conditions which become more complicated in the case of having an entrapped air pocket. This condition can lead to serious problems in the pressurized systems due to emergent high pressure. Following rapid growth in the industrial sections and need for the study of more complicated conditions, this research is carried out to pursue two purposes: i) Experimental study of confined air pocket in two different conditions of rapid pressurization and water hammer occurrence and feasibility study of controlling and storing the pressure surge within an air, ii) An exact assessment of the pressure and flow parameter variations using the modern computational fluid dynamic (CFD) methods.Pressure change in the flow and the air pocket during conditions such as rapid pressurization and water hammer have been studied using experimental model. These conditions lead to high and rapid pressure change. Significant conclusions have been achieved in pressure change, displacement of the air-water interface and relationship between different parameters of confined air pocket which can be very helpful for design of real systems. The resultant high fluctuating pressure was modeled using CFD methods. However, because of having several complicated conditions namely highly turbulent condition, compressibility, two different phases, rapid change in flow parameters, moving and rotating parts and air-water interface very exact modeling methods is developed. Considering the moving parts such as valves, the proposed condition demonstrates a challenging situation for modeling. Current research presents an acceptable modeling by taking into account parameters such as y+, mesh size and boundary layer resolving methods. Here, mesh dependent analysis helps to introduce most efficient mesh conditions. Finally, thermodynamic methods are used as a mean to assess the behavior of the air pocket and its ability to store pressure as potential energy. Results show that different void fraction ratios (VFRs) inside a compressed air vessel (CAV) demonstrate different behaviors in controlling the high pressure from a transient situation such as water hammer. This study suggests 10