تعیین فرکانس اسلاگ در جریان دو فازی دو سیالی در کانال های افقی به روش های عددی و تجربی

در این رساله، به بررسی جامع پدیده اسلاگ و فرکانس آن از دو دیدگاه تجربی و عددی پرداخته شده است. جریان دو فازی آب- هوا با استفاده از مدل های سه گانه دو سیالی (pfm، spm و tpm) در محدوده شرایط خوش رفتار، شبیه سازی شده است. استفاده از مدل دو سیالی در محدوده خوش رفتار به منظور شبیه سازی جریان دو فازی آب- هوا و تسخیر ناپایداری اسلاگ و تعیین فرکانس آن از اهمیت بالایی برخوردار است که برای اولین بار در این رساله به آن پرداخته شده است. معادلات این مدل های دو سیالی گذرا توسط یک گروه از روش های تسخیر شاک مرتبه بالا، بطور عددی حل شده است. به منظور تایید نتایج روش های مختلف عددی (لاکس- فردریچز، ریچمایر، force و flic) مورد آزمایشی شیر آب انتخاب شده است. نتایج شبیه سازی در مقایسه با حل تحلیلی مسئله شیر آب، حاکی از پیش بینی صحیح جریان توسط کدهای توسعه یافته در این تحقیق می باشد. پس از صحت آزمایی کدهای pfm، spm و tpm با روش عددی flic، جریان لایه ای آب- هوا درون کانال افقی طویل با مشخصات هندسی کانال آزمایشگاه جریان چند فازی دانشگاه تربیت مدرس، شبیه سازی شده است. در تمامی حالت های آزمایش، کمینه فرکانس در کمترین سرعت ظاهری مایع و بیشینه آن در بیشترین سرعت ظاهری مایع رخ می دهد. با افزایش ضریب لغزش، فرکانس اسلاگ کاهش می یابد. فرکانس اسلاگ تابع قوی از سرعت ظاهری مایع است. در سرعت های بالای آب، فرکانس اسلاگ در کانال افزایش می یابد. تاثیر سرعت ظاهری گاز بر فرکانس اسلاگ در هر سرعت ظاهری مایع، کاهشی است. با حرکت در جهت پایین دست کانال، فرکانس اسلاگ کاهش می یابد. اسلاگ در پایین دست کانال، سریع تر و با شتاب بیشتری حرکت می کند. از مقایسه مقادیر فرکانس اسلاگ حاصل از رابطه های معرفی شده این تحقیق و رابطه های زاباراس و گریگوری و اسکات، می توان گفت رابطه های حاضر بخصوص در سرعت های بالای گاز و مایع، پیش بینی بهتری دارد. همچنین این رابطه ها برحسب فاصله از بالادست ارائه شده اند که آن ها را از روابط محققان پیشین متمایز می کند. در مکان های دور از ورودی کانال، تحلیل fft با دقت بهتری جواب می دهد. با توجه به نتایج، این فرضیه که استفاده از fft تابع مکان است، تقویت می شود. با مقایسه نتایج شبیه سازی عددی حاصل از pfm، spm و tpm با نتایج تجربی آزمایش های انجام شده مشخص شد که هر سه کد توسعه یافته، قادر به پیش بینی تشکیل و تسخیر ناپایداری اسلاگ هستند؛ اگرچه خطاهای متفاوتی را نسبت به نتایج تجربی ارائه می دهند. مزیت tpm در پایداری بی قید و شرط حل عددی است. پایداری حل pfm و spm بسیار وابسته به شرایط ورودی است. زمان پردازش کامپیوتری شبیه سازی جریان، نسبت مستقیم با پیچیدگی مدل دارد. به بیان دیگر زمان شبیه سازی جریان با استفاده از tpm و روش عددی flic بسیار بیشتر از spm و pfm با همان روش عددی است. فرض فشار هیدرودینامیکی، علاوه بر بالابردن زمان محاسبات، در پیش بینی رفتار جریان، از حالت فرض فشار هیدرواستاتیکی ضعیف تر می باشد. طبق نتایج شبیه سازی، مدل های سه گانه از نظر کیفی، قابلیت پیش بینی جریان دو فازی درون کانال افقی طویل را دارند. پارامترهای فیزیکی جریان با نتایج آزمایشگاهی از نظر کیفی تطابق داشته ولی از نظر کمّی، اختلاف هایی را نشان می دهند. با توجه به نتایج شبیه سازی و در نظر گرفتن هزینه محاسبات، بهترین مدل جهت شبیه سازی جریان دو فازی لایه ای درون کانال، مدل دو سیالی با فرض ترم فشار هیدرواستاتیکی می باشد.