توصيفگر ها :
ديناميك سيالات محاسباتي , جريان چند فازي , امواج آلتراسونيك , كاويتاسيون , فشار اشباع , رسوب زدايي , نسبت انحنا , دبي ورودي لوله
چكيده فارسي :
در سال¬هاي اخير، رسوب زدايي لوله ها با استفاده از امواج آلتراسونيك به علت ويژگي¬هاي آن مانند عدم ايجاد آلودگي براي محيط زيست، پيشگيري از ايجاد رسوب درون لوله و رسوب زدايي بدون توقف خطوط لوله، كاربرد بسيار فراواني در كليه¬ي صنعت¬هاي دريايي، غذايي، پالايشگاهي و ... پيدا كرده است. با نفوذ امواج آلتراسونيك از طريق متصل كردن مبدل فراصوت بر روي لوله¬هاي حاوي سيال، مانند سيال آب، فشار محلي در سيال افت پيدا مي¬كند و فشار آن ناحيه از فشار اشباع سيال كمتر مي¬شود و سبب رخ دادن پديده¬ي كاويتاسيون مي¬شود. بر اثر ايجاد شدن كاويتاسيون، انرژي بسيار زيادي ايجاد مي¬گردد و باعث رخ دادن پديده¬ي ميكروجت سيال و در ادامه¬ي آن باعث ايجاد منافذ و ترك هايي بر روي ذرات جامد چسبيده شده بر روي ديواره¬ي داخلي لوله مي¬¬¬شود. درون منافذ ايجاد شده بر روي سطوح ذرات جامد، حباب¬هاي بخار آب محبوس مي¬شوند. فشار داخلي حباب¬هاي كاويتاسيون از استحكام تسليم ذرات جامد فراتر مي رود و باعث در هم شكسته شدن ذرات جامد مي گردد. با توجه به اين كه پديده¬ي كاويتاسيون اصلي¬ترين مكانيزم رسوب زدايي لوله با استفاده از امواج فراصوت است، در اين پژوهش در ابتدا با استفاده از روش ديناميك سيالات محاسباتي، پديده¬ي كاويتاسيون در نرم افزار انسيس فلوئنت شبيه سازي مي¬گردد. نتايج حاصل از اين حل عددي با مقادير تجربي ساير پژوهش ها مطابقت مناسبي دارد. در گام بعدي، برهمكنش حباب¬هاي كاويتاسيون با ذرات رسوب جامد چسبيده بر روي سطح داخلي لوله با استفاده از حل مدل هاي چند فازي شبيه سازي گرديده است. در اين پژوهش اثر دامنه¬ي فشار صوت، دبي ورودي لوله، خواص مكانيكي رسوب، محل قرار گيري مجموعه¬ي مبدل فراصوت بر روي لوله و اثر وجود انحنا در لوله بر روي شدت كاويتاسيون بررسي شده است. با افزايش دامنه¬¬ي فشار آكوستيك، شدت كاويتاسيون بهبود مي يابد و در نتيجه باعث افزايش نرخ رسوب زدايي مي گردد. افزايش سرعت جريان سيال در ورودي لوله، باعث افزايش نرخ جريان جرمي سيال مي شود و باعث كاهش عملكرد امواج آلتراسونيك مي شود. در واقع افزايش سرعت جريان، افت فشار هيدروديناميكي در راستاي طولي لوله ايجاد مي كند. اين عامل باعث حذف حجم بيشتري از لايه¬ي رسوب در مقايسه با آب در حالت ساكن مي شود. خواص مكانيكي رسوب يكي از پارامتر هاي موثر بر شدت كاويتاسيون به شمار مي رود. با افزايش چگالي و تنش تسليم ذرات جامد رسوب، شدت كاويتاسيون كاهش پيدا مي كند و نيازمند امواج آلتراسونيك با قدرت بيشتري براي رسوب زدايي است. با افزايش فاصله¬ي بين ورودي لوله و محل اتصال مبدل فراصوت بر روي لوله، در حالتي كه سيال درون لوله در حالت سكون نباشد، شدت كاويتاسيون كاهش پيدا مي كند. قسمت اصلي اين پژوهش، به تجزيه و تحليل اثر ناحيه¬ي انحنا بر عملكرد امواج آلتراسونيك پرداخته شده است. بر اساس نتايج اين پژوهش، شدت امواج آلتراسونيك در ناحيه¬ي انحنا كاهش پيدا كرده است. نتايج نشان داده است كه با افزايش نسبت انحنا در لوله، كاويتاسيون با شدت كمتري رخ داده است.
چكيده انگليسي :
In recent years, the descaling of pipes through using ultrasonic waves, has obtained more attention because of its properties like not causing pollution for the environment, prevention of generating sediment on the inner surface of pipes, and nonstop descaling of pipes. With the penetration of ultrasonic waves by connecting the ultrasonic transducer on a pipe which is full of water, the local pressure is dropped lower than saturated pressure and causes a cavitation phenomenon. As the cavitation occurs, a high amount of energy generates and causes to microjet phenomenon on the fluid and creates cracks and pores on the solid particle surface which has been formed on the inner surface of the pipe. Cavitation bubbles entrap on the volume of cracks and cervices which create on the solid particle surface. The inner pressure of the cavitation bubble exceeds of yield strength of the solid particle and causes to destruction the solid particle. Since the cavitation phenomenon is the main mechanism of descaling through using ultrasound, in this research by using computational fluid dynamics, the cavitation phenomenon has been simulated in ANSYS FLUENT. The results of this numerical simulation are in good agreement with experimental results. During the simulation of the ultrasonic descaling of pipes, the interaction of cavitation bubbles and solid particles was simulated using the multiphase model. In this research, the effect of acoustic pressure amplitude, pipe inlet flow, mechanical properties of the scale, the distance between pipe inlet and ultrasonic transducer, and curvature zone on the pipe have been investigated on the intensity of cavitation phenomenon. By increasing acoustic pressure amplitude, the intensity of the cavitation phenomenon has been improved and thus the rate of ultrasonic descaling has been increased. By increasing the fluid flow velocity at the inlet of the pipe, the mass flow rate has been increased and decreases the acoustic pressure amplitude. Actually, by increasing the fluid flow velocity, hydrodynamic pressure drops in the longitudinal direction of the pipe. This leaves to more volume of sediment layer removal compared with the static fluid on the pipe. The mechanical properties of scale are one of the parameters which effect the cavitation intensity. By increasing the density and yield strength of solid particles, cavitation intensity decreases and needs ultrasonic waves with higher amplitude. By increasing the distance between the pipe inlet and the connection point of ultrasonic transducer on the pipe, in the case that the fluid inside the pipe is not at static state, the intensity of cavitation decreases. The main part of this research is the analysis of the curvature zoon effect on the performance of ultrasonic waves. Based on the results, the intensity of ultrasonic waves decreases in curvature zoon. The results show that by increasing the curvature ratio of the pipe, cavitation occurs with lower intensity.
