بررسی بسترهای فواره ای (spouted) با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی

بسترهای سیالی از نوع فواره ای بستر مناسبی برای تماس گاز و ذرات جامد در محدوده بسیار وسیعی از قطر ذرات فراهم می-آورند. بسترهای فواره ای در صنعت برای خشک کردن غلات استفاده می شوندکه در حال حاضر توسعه کاربردهای تجاری آن رو به افزایش است. رژیم های جریان متفاوت، کمبود و هزینه-بر بودن وسایل آزمایشگاهی سبب استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (cfd) برای توسعه هر چه بیشتر این بسترها گردیده است. بیشتر تحقیقات گذشته در رابطه با استفاده از cfd برای بررسی چندی از خواص هیدرودینامیکی می باشد. در این تحقیق ابتدا به بررسی خواص هیدرودینامیکی بستر دو بعدی سپس بستر سه بعدی، پارامترهای بزرگ نمایی در سه بستر و در انتها احتراق در بستر پرداخته شده است. برای خواص هیدرودینامیکی از بستر مرجع که با ذرات شن پر شده و هوا با سرعت بسیار زیاد وارد می شود، استفاده شده است. برای حل از نرم افزار fluent با استفاده از معادلات ناویر استوکس استفاده شده است. با افزایش سرعت ورود گاز به بستر افت فشار افزایش می یابد. که این افزایش افت فشار تا زمان تشکیل اولین فواره ادامه دارد و در آن هنگام ناگهان فشار کاهش می یابد. اولین فواره در سرعت m/s 55/0 گاز ورودی به بستر ایجاد می شود که این سرعت را کمترین سرعت تشکیل فواره می نامند. با تغییر فشار چهار رژیم مختلف شامل رژیم جریان بستر ثابت، رژیم فواره پایا، رژیم انتقالی و رژیم فواره ای جت در بستر دیده می شوند. با افزایش سرعت ورود گاز به بستر ارتفاع فواره افزایش می یابد و بیشترین ارتفاع در بستر در هنگام تشکیل فواره مشاهده می شود. بیشترین ارتفاع در بستر 700 میلی متر است. قطر فواره در ابتدا زیاد و با افزایش ارتفاع آن بتدریج کاهش می یابد. در این بستر این قطر میانگینmm 70 در پایین و mm10 در بالای بستر است که mm 40 می باشد. در مرکز بستر که گاز با سرعت جت وارد می شود سرعت ذرات نیز زیاد است. با دور شدن از مرکز بدلیل کاهش سرعت گاز و تراکم ذرات، سرعت ذرات جامد کاهش و دردیواره ها به صفر می رسد. حرکت ذرات یک چرخه حلقوی است که تکرار می شود. در اثر این چرخه سه ناحیه موجود در بستر بخوبی قابل مشاهده است. ناحیه فواره، سرچشمه و فضای حلقوی. مقایسه بین نتایج بسترهای دو بعدی و سه بعدی نشان گر این موضوع است که در بسترهای فواره ای بعد سوم دارای نقش بسزایی در بستر و پارامترهای آن نیست. بنابراین برای صرفه جویی در زمان و هزینه محاسبات از بعد سوم در بیشتر تحقیقات صرف نظر می شود. برای بزرگ نمایی برای اولین بار از نرم افزارهای cfd برای بررسی پارامترهای هیدرودینامیکی در سه بستر مختلف و تساوی اعداد رینولدز و فروید در قسمت تشابه سینماتیکی و تساوی نسبت قطر هیدرودینامیکی بستر، ثابت نگه داشتن زاویه و ضریب آزادی ذرات برای تشابه دینامیکی استفاده شده است. سپس با بررسی تغییرات سرعت و کسر حجمی ذرات با بستر مرجع از صحت داده های موجود اطمینان حاصل شد. در قسمت احتراق نیز برای اولین بار از نرم افزارهای cfd برای بررسی خواص احتراق و شعله در کوچکترین بستر با استفاده از ذرات شن به عنوان کاتالیزور و ترکیب مختلف هوا و متان در حالت پیش آمیخته به فرم سوخت استفاده شد. حداقل سرعت تشکیل فواره بر روی سطح m/s 70 است. کمتر از نیمی از سوخت می-سوزد. در ناحیه شعله تراکم ذرات بسیار کم است. در ناحیه شعله، انرژی آزاد شده و ذرات جامد گرم می شوند. ذرات پس از رسیدن به بالاترین نقطه برگشته و گرمای خود را به گاز ورودی منتقل وبه صورت پیش گرم کن سوخت عمل می-کنند. به این ترتیب شعله ایجاد شده پایدار می باشد. بیشترین توزیع دما در ناحیه فواره ای قرار دارد. پس بهترین ناحیه احتراق در فواره اتفاق می افتد که در این ناحیه کمترین درصد حجمی متان در7/3 % موجود است.