بررسی فرآیند ادغام قطرات معلق از طریق شبیه سازی عددی با روش های حجم سیال و شبکه ی بولتزمن

در این پروژه، فرآیند ادغام قطرات معلق ساکن با استفاده از روش¬های حجم سیال و شبکه¬ی بولتزمن، شبیه¬سازی شده است. بدین منظور، قطرات با فاصله¬ی مشخصی از هم قرار گرفته¬اند و سرعت اولیه¬ی قطرات و نیروی جاذبه برابر با صفر در نظر گرفته شده است. هنگامی که فرآیند ادغام قطرات بدون سرعت اولیه و در محیط گازی شکل صورت می¬گیرد، نیروی کشش سطحی به عنوان تنها نیروی مؤثر سبب نزدیک شدن قطرات به سمت یکدیگر شده و یک پلی از سیال با شعاع کم¬ بین قطرات تشکیل می¬شود که به¬سرعت شعاع آن افزایش می¬یابد و در نهایت یک قطره¬ی بزرگتر با سطح کمتر تشکیل می¬¬شود. جهت اعتبارسنجی، فرآیند برخورد قطرات با سرعت اولیه به صورت سه¬بعدی با روش حجم سیال مدل¬سازی شده و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. علاوه بر آن، فرآیند ادغام قطرات ساکن نیز با استفاده از روش حجم سیال شبیه¬سازی شده است و تغییرات شعاع پل سیال بین قطرات در لحظات اولیه پس از ادغام، با نتایج آزمایشگاهی دیگران مقایسه شده است. در هر دو مورد، نزدیکی بسیار خوبی بین نتایج عددی و آزمایشگاهی دیگران دیده می¬شود. در چند دهه¬ی اخیر، قابلیت و توانایی روش شبکه¬ی بولتزمن در مدل¬سازی جریان¬های چندفازی از مباحث چالش¬برانگیز به شمار می¬رود. لذا با شبیه-سازی فرآیند ادغام توسط این روش و مقایسه¬ی نتایج حاصل با نتایج روش حجم سیال، می¬توان دقت روش شبکه¬ی بولتزمن را در مدل¬سازی جریان¬های چندفازی مورد ارزیابی قرار داد. از آنجایی که تمام خواص در روش شبکه¬ی بولتزمن به صورت بی¬بعد می¬باشند، راهکاری ارائه شده است تا بتوان خواص بی¬بعد را به خواص فیزیکی تبدیل نمود. مقایسه¬ی کیفی نتایج حاصل از فرآیند ادغام قطرات با شرایط یکسان در دو روش حجم سیال و شبکه¬ی بولتزمن، نشان دهنده¬ی درستی روش به کارگرفته شده می¬باشد. نتایج نشان می¬دهد که برای اینکه فرآیند ادغام صورت بگیرد، فاصله¬ی بین قطرات بایستی از مقدار مشخصی کمتر باشد که به آن فاصله¬ی بحرانی گفته می¬شود. همچنین با توجه به نتایج عددی، رابطه¬ی تحلیلی برای فاصله¬ی بحرانی ارائه شده است که بر اساس آن، نسبت فاصله¬ی بحرانی به شعاع قطره بایستی از 0.25〖re〗^0.2 کمتر باشد تا فرآیند ادغام صورت گیرد. در این پژوهش، تغییرات شعاع پل بین سیال، تأثیر شعاع قطره، کشش سطحی، نسبت ویسکوزیته و چگالی فاز بخار به مایع مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به نتایج به دست آمده توسط هر دو روش، افزایش کشش سطحی و نسبت چگالی فاز بخار به مایع، سبب افزایش فاصله¬ی بحرانی می¬شود. در حالی که، افزایش نسبت ویسکوزیته، کاهش فاصله¬ی بحرانی را به دنبال دارد.