شبيه سازي عددي الگوهاي جريان دوفازي گاز-مايع همسو رو ‌به‌ بالا در لوله‌هاي عمودي قطر بالا، به روش حجم سيال

Numerical simulation of upward co-current gas-liquid two-phase flow in the vertical pipes of large diameter by volume of fluid method

در مطالعه حاضر به بررسي الگوهاي جريان دوفازي گاز-مايع درون لوله عمودي به قطر داخلي 70 mm پرداخته شده است. سيال‌هاي دوفازي مورد مطاله هوا و آب مي باشند. شبيه سازي با نرم افزار متن‌باز اُپن‌فوم انجام شده و از روش تك‌سيالي براي شبيه‌سازي جريان استفاده شده است، كه در اين روش سطح مشترك دوفاز با استفاده از مدل حجم‌سيال دنبال مي‌شود. كارهاي انجام شده تاكنون اكثرا به صورت آزمايشگاهي بوده و كارهاي عددي انجام شده نيز بيشتر براي لوله‌هاي قطر كوچك بوده است. در شبيه سازي عددي انجام شده در كار حاضر، در ورودي سرعت فازهاي گاز و مايع ثابت، در خروجي فشار ثابت و روي ديواره‌هاي لوله شرط عدم لغزش در نظر گرفته شده است. تمركز اصلي اين تحقيق، شبيه‌سازي الگوهاي جريان مختلف، براساس تغيير سرعت‌ ظاهري هوا و آب در ورودي لوله مي‌باشد. همچنين نمودارهاي توزيع چگالي فازها نيز بدست آمده‌اند، كه از بررسي رفتار اين نمودارها مي‌توان نوع الگوي جريان دوفازي درون لوله را تشخيص داد. محدوده سرعت‌هاي ظاهري هوا و آب در ورودي لوله مورد بررسي به ترتيب 0.01 – 15 m/s و 0.1 – 1.5 m/s مي باشد. از تحليل نتايج؛ چهار الگوي حبابي، لخته‌اي، متلاطم و حلقوي و همچنين دو الگوي فرعي، شبه-حلقوي و حبابي كلاهكي بدست آمدند.

In the present study, flow regimes of co-current, air-water two-phase flow in a vertical tube with 70 mm internal diameter were investigated. Simulation was accomplished by open source software, OpenFOAM, and One Fluid model has been used to simulate two-phase flow, which in this model, the interface of two-phase flow has been followed by Volume of the Fluid model. Hitherto, most of the researchers conducted experimentally and the researchers in many of the numerical studies just investigated the small tubes. The simulation was investigated according to boundary conditions of the vertical tube. Air and water superficial velocities in inlet and pressure in outlet were constant. Moreover, a no-slip condition in the internal tube walls has been considered. The main purpose of this study is to identify the flow regimes based on the superficial velocities of air and water in the inlet. Moreover, the diagrams of density distributions of phases were obtained with respect to the behavior of each two-phase flow pattern which can be identified. Superficial velocity of air and water were in the range of 0.01-15 m/s and 0.1-1.5 m/s, respectively. By analysis of the results, bubbly, slug, churn and annular regimes as well as, semi-annular and Cap-Bubbly sub-regimes were observed.