بررسی عددی رفتار دینامیکی حباب ها در یک سیال لزج

در این تحقیق رفتار دینامیکی حباب ها که شامل صعود یک حباب در سیال لزج و خروج آن از سطح آزاد، ادغام و تداخل دو حباب هم محور، ناپایداری های جریان در هنگام صعود یک حباب در یک لوله عمودی باریک، مشخصات رشد حباب و خروج آن از حفره و همچنین شکست حباب می باشد، با استفاده از مدل دو بعدی تقارن محوری بررسی شد. به منظور بدست آوردن تغییر شکل حباب، معادلات ناویر استوکس همراه با معادله جابجایی برای نسبت حجمی سیال حل شد. متد اصلاح شده نسبت حجمی سیال(vof) که بر اساس الگوریتم یانگز نوشته شده است، برای ردیابی تغییر شکل حباب استفاده گردید. برای تایید صحت مدل حاضر، نتایج مدل سازی عددی برای سرعت نهائی و شکل حباب با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شد. تاثیر پارامتر های مختلف مانند شعاع اولیه حباب، ارتفاع کانال، لزجت سیال و تنش سطحی بر روی شکل و سرعت حباب بررسی گردید. پارامترهای مهم دیگری نیز بر روی رفتار نوسانی سرعت حباب و شکل آن مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج عددی نشان می دهد که شکل دماغه یا نوک حباب نسبتا پایدار باقی می ماند، در حالیکه نوسان های قابل توجهی در انتهای حباب در هنگام صعودش در سیال رخ می دهد. تداخل و ادغام دو حباب هم محور در طی زمان صعودشان در سیال ساکن نیز بررسی شد. تصاویر بدست آمده از نتایج عددی برای فرآیند ادغام با عکس های آزمایشگاهی مقایسه گردید. مکانیزم این پدیده به این صورت می باشد که مکش سیال از فضای بین دو حباب باعث تشکیل یک فیلم سیال نازک شده که شکست آن تداخل حباب ها را موجب می شود. در این پایان نامه قابلیت دیگری به الگوریتم نسبت حجمی سیال(vof) برای مدل سازی رشد و شکست حباب افزوده شد. مدل سازی رشد حباب با تزریق جریان گاز از حفره انجام پذیرفت. صحت این مدل با مقایسه بین نتایج عددی برای شکل حباب طی زمان رشد از حفره با نتایج آزمایشگاهی تایید شد. در ادامه، تاثیر پارامترهای مهم بر روی پدیده رشد مورد بررسی قرار گرفت. تطابق نتایج عددی با نتایج آزمایشگاهی از لحاظ کیفی و کمی بسیار خوب می باشد. نتایج نشان می دهد که افزایش تنش سطحی و لزجت، قطر جدا شونده حباب را افزایش می دهد. همچنین اندازه حباب برای محدوده گسترده ای از نرخ های جریان، به قطر حفره بستگی دارد. در انتهای این تحقیق شکست حباب نیز با استفاده از معادله ریلی-پلست برای حل فشار بخار داخل حباب مدل سازی شد. تطابق نسبتا خوبی بین نتایج عددی با نتایج آزمایشگاهی و تئوری برای شکست حباب به صورت کیفی و کمی مشاهده می شود.