توصيفگر ها :
نازل مافوق صوت لاوال , رطوبتزدايي , شبيهسازي عددي , هواي مرطوب , جريان چندفازي , مدل رگرسيوني
چكيده فارسي :
وجود بخار آب در جريانهاي گازي مانند هوا و گاز طبيعي يكي از چالشهاي مهم در صنايع انرژي، پتروشيمي، هوافضا و تهويه مطبوع به شمار ميرود. حضور اين ناخالصي علاوه بر كاهش كيفيت انرژي و ايجاد افت فشار، موجب بروز خوردگي، تشكيل هيدرات و در نهايت كاهش راندمان سامانههاي انتقال ميشود. روشهاي كلاسيك رطوبتزدايي همچون جذب شيميايي، تبريد و غشا، اگرچه در مقياس صنعتي كاربرد دارند، اما به دليل مصرف بالاي انرژي، نياز به تجهيزات حجيم و هزينههاي نگهداري زياد، همواره با محدوديتهايي همراه بودهاند. از اينرو، بهرهگيري از فناوريهاي نوين مبتني بر جريانهاي مافوق صوت، بهويژه نازلهاي همگرا–واگرا (لاوال)، بهعنوان راهكاري نويدبخش براي رطوبتزدايي گازها مورد توجه قرار گرفته است. در اين پژوهش، فرآيند رطوبتزدايي از هواي مرطوب از طريق چگالش ناگهاني در نازل مافوق صوت بهصورت عددي شبيهسازي شده است. مدلسازي بر اساس رويكرد جريان دوفازي مخلوط انجام گرفت و براي در نظر گرفتن دقت بيشتر در پيشبيني رفتار بخار مرطوب، توابع تعريفشده توسط كاربر به كار گرفته شد. مدل آشفتگي k-ω SST بهمنظور شبيهسازي دقيقتر ويژگيهاي جريان انتخاب گرديد و تغيير فاز بخار به مايع نيز بر اساس مدل لي پيادهسازي شد. شبيهسازيها در حالت پايا، دوبعدي و آدياباتيك و تحت شرايط مرزي متنوع شامل فشار ورودي 1.2 تا 2 بار، دماي ورودي 283 تا 323 كلوين و كسر حجمي بخار آب اوليه بين 0.0014 تا 0.031 انجام شدند. نتايج نشان داد كه افزايش فشار ورودي باعث افزايش نرخ چگالش و بالا رفتن حداكثر كسر حجمي آب مايع تا حدود 13.9% ميگردد. در مقابل، افزايش دماي ورودي موجب كاهش محسوس مقدار مايع توليدي (تا حدود 49%) شد. همچنين، افزايش رطوبت اوليه جريان در ورودي نقش چشمگيري در تشديد فرآيند چگالش ايفا نمود. علاوه بر تحليل پارامتري، يك مدل رگرسيوني چندمتغيره بر پايه نتايج شبيهسازي توسعه داده شد كه با استفاده از دو پارامتر بيبعد، قادر است ميزان حداكثر كسر حجمي مايع را با دقت بالا (R^2=0/9879) پيشبيني نمايد. اين مدل نه تنها در هندسه اصلي نازل بلكه در هندسهاي متفاوت نيز اعتبارسنجي شده و نتايج رضايتبخشي ارائه داده است. يافتههاي اين پژوهش بيانگر آن است كه استفاده از نازلهاي مافوق صوت ميتواند بهعنوان روشي نوين، كمهزينه و كارآمد براي رطوبتزدايي جريانهاي گازي در صنايع مختلف بهكار گرفته شود. اين نتايج ميتوانند مبنايي علمي براي طراحي و بهينهسازي نازلهاي صنعتي در حوزههاي انتقال گاز طبيعي، سامانههاي تهويه مطبوع پيشرفته و تجهيزات هوافضا فراهم كنند. افزون بر اين، مدل عددي و روابط همبستگي ارائهشده قابليت توسعه براي ساير مخلوطهاي گازي را نيز دارا ميباشند.
چكيده انگليسي :
The presence of water vapor in gaseous flows such as air and natural gas represents a critical challenge across energy, petrochemical, aerospace, and HVAC industries. This impurity not only reduces energy quality and induces pressure losses but also promotes corrosion, hydrate formation, and ultimately decreases the efficiency of transmission systems. Conventional dehumidification methods—such as chemical absorption, refrigeration, and membrane separation—although widely employed at the industrial scale, suffer from high energy consumption, bulky equipment, and significant maintenance costs. Consequently, emerging technologies based on supersonic flows, particularly convergent–divergent (Laval) nozzles, have attracted increasing attention as a promising alternative for gas dehumidification. In this study, the dehumidification of moist air through sudden condensation in a supersonic nozzle was numerically investigated. The modeling was carried out using the two-phase mixture approach, while user-defined functions were incorporated to enhance the accuracy of wet vapor property predictions. The k–ω SST turbulence model was employed to capture flow characteristics more precisely, and the vapor-to-liquid phase transition was modeled via the Lee approach. Simulations were performed under steady, two-dimensional, and adiabatic conditions, covering a range of inlet pressures (1.2–2 bar), inlet temperatures (283–323 K), and initial vapor volume fractions (0.0014–0.031). The results revealed that higher inlet pressures significantly enhance condensation rates, leading to an increase in the maximum liquid water volume fraction up to approximately 13.9%. In contrast, higher inlet temperatures markedly reduced the condensate yield (by nearly 49%). Moreover, elevated inlet humidity was found to play a decisive role in intensifying the condensation process. Beyond the parametric analysis, a multivariable regression model was developed based on simulation results. Utilizing two dimensionless parameters, the model successfully predicted the maximum liquid volume fraction with high accuracy (R² = 0.9879). Importantly, the model was validated not only for the baseline nozzle geometry but also for an alternative configuration, demonstrating consistent reliability. The findings highlight that supersonic nozzles can serve as an innovative, cost-effective, and efficient approach for gas dehumidification in diverse industrial applications. These results provide a scientific foundation for the design and optimization of industrial nozzles in natural gas transmission systems, advanced air-conditioning units, and aerospace equipment. Furthermore, the proposed numerical framework and correlation models offer potential for extension to other gas mixtures.