بررسی آزمایشگاهی و عددی مدل بهینه محاسبه حرکت و موقعیت تک ذره صلب درآب

ارزیابی نیروهای هیدرودینامیکِ وارد بر یک ذره درحال حرکت در یک سیال همچنان بعنوان یک سیوال اساسی در مدلسازی جریانهای دوفازی به روش اولری – لاگرانژی مطرح می باشد. در مدلسازی به روش اولری – لاگرانژی، میدان جریان سیال به روش اولری و حرکت ذرات به روش لاگرانژی بررسی می شوند. از مزایای این روش توانایی بررسی مسایلی همچون تغییرات چرخش ذرات، برخورد ذرات با هم و با دیوار و ضعف آن زمان طولانی محاسباتی و محدودیت تعداد ذرات می باشد. مدلسازی لاگرانژی حرکت ذره براساس معادله مومنتم ذره که برگرفته از قانون دوم نیوتن می باشد، صورت می گیرد. معادله مومنتم ذره ترکیبی ازنیروهایی است که در تعیین کمی آنها دقت اندازه گیری مشخصات ذاتی ذره و سیال و مولفه های سرعت جریان نقش بسزایی را ایفا می نمایند. همچنین در مدلسازی لاگرانژی، برخورد ذره به دیواره و ارزیابی میزان اتلاف انرژی توسط پارامتری بنام ضریب ارتجاعی صورت می گیرد که دقت اندازه گیری آزمایشگاهی آن از اهمیت بالایی برخوردار است. لذا در این پژوهش با توجه به قابلیت روش اولری– لاگرانژی در مطالعه بنیادی تر حرکت و رفتار ذرات رسوب (رفتار خطی و چرخشی) واعمال شرایط برخورد ذرات با دیواره، این دیدگاه برای ارایه مدل ریاضی انتخاب شده است.در بررسیِ جامعِ بعمل آمده از مطالعات قبلیِ انجام شده در خصوص مدلسازی مسیر حرکت ذرات مشخص گردید که اختلاف زیادی بین نتایج حاصله از مدلسازی عددی و داده های آزمایشگاهی وجود دارد. علت بروز چنین اختلافی را می توان دقت تجهیزات آزمایشگاهی بخصوص دوربین تصویربرداری، روش اندازه گیری و تعیین ضریب ارتجاعی، روش اندازه گیری مولفه های سرعت جریان و عدم ارزیابی صحیح از نیروهای هیدرودینامیکی وارد برذره عنوان نمود. لذا در این مطالعه با استفاده از امکانات و تجهیزات پیشرفته آزمایشگاهی، آزمایشهایی در خصوص بررسی حرکت ذرات مختلف در هوا و آب ساکن و همچنین جریان آب، اندازه گیری اصولی ضریب ارتجاعی حاصل از برخورد ذرات به سطوح مختلف و همچنین اندازه گیری سرعت جریان با استفاده از روشهای uvp و piv نور سفید صورت گرفت. با استفاده از نتایج آزمایشگاهی برخورد ذرات به سطوح مختلف در هوا و آب، ضریب ارتجاعی بعنوان تابعی از سرعت برخورد ذره به دیواره تعیین گردید. در مرحله بعدی، با استفاده از نتایج آزمایشگاهی حرکت ذره در یک سیال ساکن که فاقد سرعت، گرادیان سرعت و در نتیجه نیروهای لیفت برشی و چرخشی حاصل ازآن می باشد، تاثیر نیروی وزن موثر و نیروهای هیدرودینامیکی پسا، جرم مجازی و پیشینه به صورت عددی در پیش بینی مسیر حرکت ذره ارزیابی شد. نظر به اینکه در بررسی حرکت ذرات در جریانِ سیال آب، مولفه های سرعت سیال از جمله پارامترهایی هستند که در مدلسازی لاگرانژی حرکت ذره می بایست مقداری برای آنها منظور گردد، لذا در این مطالعه ابتدا صحتِ نتایجِ اندازه گیریِ سرعت جریان به روش piv نورسفید با استفاده از داده های آزمایش uvp و نتایج روابط تجربی بررسی گردید. سپس یک مدل عددی منطبق بر شرایط آزمایش توسط مدل فلوینت توسعه و میدان جریان شبیه سازی شد. توافق حاصله بین نتایج شبیه سازی و آزمایشگاهی میدان جریان موجب گردید تا نتایج مدل عددی هیدرودینامیک جریان بعنوان مبنای محاسبات و پیش بینی مسیر حرکت ذره توسط مدل لاگرانژی گردد. با استفاده از مدل لاگرانژی تهیه شده در این مرحله که مرکب از نیروهای وزن موثر، پسا، جرم مجازی ، لیفت برشی و لیفت چرخشی می باشد و روش عددی رانگ کوتای مرتبه 4، مسیر حرکت ذرات در لایه مرزی شبیه سازی و نتایج آن با داده های آزمایشگاهی مقایسه گردید. نتایج نشان داد که مدل لاگرانژیِ بررسی حرکت ذره در آب ساکن و در داخل لایه مرزی جریانِ کانال آزمایشگاهی زمانی می تواند موقعیت و سرعت ذره را بطور بهینه و منطبق بر نتایج آزمایشگاهی پیش بینی نماید که علاوه بر انتخاب روش عددی مناسب، عوامل دیگری نظیرضریب ارتجاعی، مولفه های سرعت جریان و مولفه های سرعت خطی و چرخشی ذره که بعنوان شرایط اولیه و مرزی در مدلسازی لاگرانژی نقش ایفا می نمایند، با دقت مناسب بصورت آزمایشگاهی اندازه گیری شده باشند.