شبيه‌سازي عددي و بررسي آزمايشگاهي الگوهاي جريان دو فازي آب- هوا در كانال‌هاي افقي ريب‌دار

Numerical simulation and experimental investigation of the air-water two-phase flow patterns inside a ribbed horizontal duct

در اين مقاله جريان دو فازي هوا-آب در كانال افقي ريب‌دار، به طور تجربي و عددي بررسي شده است. مطالعات تجربي در آزمايشگاه جريان چند فازي دانشگاه تربيت مدرس و شبيه‌سازي عددي با استفاده از مدل حجم سيال انجام شده است. به منظور بررسي تاثير ريب‌ها بر رژيم‌هاي جريان، ريب‌هايي با عرض و گام‌هاي مختلف، روي ديواره‌هاي جانبي كانال تعبيه و نقشه رژيم‌هاي جريان ترسيم شده است. با توجه به بحراني بودن رژيم اسلاگ در كانال‌هاي طولاني، جزييات آن در كانال‌هاي صاف و ريب‌دار بررسي شده است. طبق مشاهدات تجربي، در كانال ريب‌دار رژيم لايه‌اي اتفاق نمي‌افتد. ريب‌گذاري محدوده رژيم اسلاگ در نقشه جريان را به طور قابل توجهي كاهش مي‌دهد. مقايسه نتايج عددي و تجربي رژيم‌هاي مختلف جريان در سرعت‌هاي مشابه نشان مي‌دهد كه حلگر بكار رفته در پيش‌بيني رژيم‌هاي مختلف جريان دو فازي توانمند است. از مقايسه دو كانال ريب‌دار مشخص شد كه اولين اسلاگ در كانال با ريب‌هاي كوچك در فاصله دورتر و زمان طولاني‌تر نسبت به ريب بزرگ تشكيل مي‌شود. همچنين نتايج عددي و مشاهدات تجربي نشان مي‌دهد، ريب‌دار كردن كانال در محدوده سرعت‌هاي كاركرد منجر به اسلاگ در كانال صاف، محدوده تشكيل اسلاگ را كوچك مي‌كند اما در محدوده سرعت‌هاي منجر به اسلاگ در كانال ريب‌دار، شرايط تغيير رژيم به جريان اسلاگ تسهيل مي‌شود كه به نفع بهره‌بردار نخواهد بود.

In this paper, two-phase air–water flow was investigated experimentally and simulated numerically using VOF method. The tests are conducted in Multiphase Flow Lab. of Tarbiat Modares University. In order to evaluate the rib effect on flow regimes, experimental investigation was conducted with ribs of different width and pitch where assembled on front and back side walls (side walls) of the duct during different test runs. The rib width and pitch were held constant during each test. The experimental work considered for different regimes of wavy, plug and slug which generated in the ducts with and without rib applying various phase velocities. The effects of using ribs on regime boundaries are presented in the flow diagrams and discussed in details. Compared to the smooth duct, the ribbed duct affects the different regime boundary positions noticeabily. The results showed that in the duct with small sizes ribs, the first slug initiates at longer time and distance in compare to the duct equipped with bigger size ribs. The results show that for normal operational flow velocities, the ribbed duct decreases the slug area on flow diagram map in compare to smooth duct. However, ribs facilitate the slug regime initiation for phase velocities in accordance with slug generation, which is not benefit of operational condition.