مطالعه عددی و تجربی رفتار جریان دوفاز همسو در لوله عمودی پایین رو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

در مقاله حاضر رفتار و الگوهای جریان دوفازی پائین رو آب – هوا در لوله عمودی به صورت تجربی و عددی مورد بررسی قرار گرفته است. برای بررسی آزمایشگاهی یک دستگاه آزمایش با قابلیت مشاهده و عکس برداری ساخته و راه اندازی شده است. سیالات مورد استفاده آب و هوا بوده و نتایج جریان برای 391 حالت انتخابی با تغییر سرعت ظاهری آب و هوا بدست آمده و پس از پردازش عکسها و بررسی الگوها، نقشه جریان تهیه و ارائه شده است. با استفاده از نمودار الگوی جریان )نقشه جریان( حاصل از نتایج آزمایشگاهی، شرایط وقوع الگوهای مختلف جریان دوفازی شناسایی و سپس از این شرایط در بدست آوردن شبیه سازی عددی استفاده شده است. برای شبی هسازی عددی الگوهای جریان دوفازی پایی نرو از روش چندسیالی در دیدگاه اویلر – اویلر در نرم افزار انسیس-فلوئنت استفاده شده است. نتایج حاصل از شبی هسازی عددی تطابق خوبی برای تمام الگوهای مورد انتظار از نقشه جریان تجربی را نشان م یدهد و می توان نتیج هگیری کرد که برای پی شبینی الگوهای جریان دوفاز رو به پایین می توان از رو شهای عددی استفاده نمود. در انتها نیز نقشه جریان با استفاده از حل عددی تهیه و با نقشه جریان تجربی مقایسه و تطابق نسبتاً خوبی مشاهده شد. مقادیر تجربی و عددی سرعتهای ظاهری آب و هوا در مرزهای انتقال نیز مقایسه شد. بیشترین مقدار خطا 6/ 20 درصد و کمترین مقدار خطا 4/ 11 درصد برای پیش بینی مرزهای انتقال جریان بدست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical and Experimental Study of Two-phase Flow in Downward vertical Pipe

نویسندگان [English]

  • F. Raeiszadeh 1
  • E. Hajidavalloo 1
  • M. Behbahaninejad 1
  • P. Hanafizadeh 2
1 Mechanical Engineering Department, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.
2 2School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.
چکیده [English]

In this study the flow patterns in downward air-water two-phase flow was studied experimentally and numerically. An experimental setup was designed and fabricated to allow visual observation and camera recording. The setup includes a transparent vertical pipe with a diameter of 50 mm and height of 4 m. Water and air were used in the experiments and flow map was prepared by data obtained from a total of 391 test cases by changing in air and water superficial velocities. Using flow pattern map, obtained from experimental results, simulation of two-phase flow in downward pipe has been performed. Multi-fluid model with Eulerian-Eulerian approach was used in Ansys-Fluent software for numerical simulation. Comparison of numerical with experimental results shows acceptable agreement for all expected regimes from flow map and it can be concluded that for downward two-phase flow patterns prediction numerical methods can be used. At the end, the numerical flow pattern map was plotted and compared with experimental results which also show good agreement. Experimental and numerical values of superficial velocities in transition boundaries were also compared.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flow regime
  • Downward Two-phase Flow
  • Flow map
  • Fluent 121

مراجع

[1] E.M. Ozbayoglu, M.A. Ozbayoglu, Flow pattern and frictional-pressure-loss estimation using neural networks for UBD, Society of Petroleum Engineers, IADC/SPE 108340, (2007) 1-9.
[2] O. Bratland, Pipe Flow 2-Multiphase Flow Assurance, Flow Assurance Consulting, Thailand, 2009.
[3] A. Almabrok, Gas-Liquid Two-Phase Flow in Up and Down Vertical Pipes, PhD Thesis, Cranfeild University, 2013.
[4] D. Barnea, O. Shoham, Y. Taitel, Flow pattern transitions for vertical downward two-phase flow, Chemical Engineering Science, 37(5) (1982) 741-744.
[5] A.A. Kendoush, S.A.W. Al-khatab, Experiments on flow characterization in vertical downward two-Phase flow, Experimental Thermal and Fluid Science, 9 (1) (1994) 34-38.
[6] M. Ishii, S.S. Pranjape, S. Kim, X. Sun, Interfacial structures and interfacial area transport in downward two-phase bubbly flow, Multiphase flow, 30 (7-8), (2004) 779-801.
[7] J.Y. Lee, M. Ishii, N.S. Kim, Instantaneous and objective flow regime identification method for the vertical upward and downward co-current two-phase flow, Heat and Mass Transfer, 51(13-14) (2008) 3442-3459.
[8] M.S. Bhagwat, A. Ghajar, Similarities and differences in the flow patterns and void fraction in vertical upward and downward two phase flow, Experimental Thermal and Fluid Science, 39 (2012) 213-227.
[9] J.E. Julia, Y. Liu, T. Hibiki, M. Ishii, Local flow regime analysis in vertical co-current downward two-phase flow, Experimental Thermal and Fluid Science, 44 (2013) 345- 355.
[10] F. Raeiszadeh, E. Hajidavalloo, M. Behbahaninejad, P. Hanafizadeh, Effect of Pipe Rotation on Downward Co-current air-water flow in a vertical pipe, Multiphase Flow, 81 (2016) 1-14.
[11] R. Maryami, S. Farahat, M. H. Shafie Mayam, S. M. JavadPoor , Experimental Investigation of the Bubbly Drag Reduction in the Presence Reduction in the Presence of Axial Flow in the Couette-Taylor System, Amirkabir Journal of Sience & Research, 47(1) (2015) 33-45. (In Persian)
[12] S.C.K. De Schepper, G.J. Heynderickx, B.G. Marin, CFD modelling of all gas-liquid and vapor-liquid flow regimes predicted by the Baker chart, Chemical Engineering, 138 (2008) 349-357.
[13] T. Hibiki, H. Goda, S. Kim, M. Ishii, J. Uhle. Structure of vertical downward bubbly flow, Heat and Mass Transfer, 47 (2005) 1847–1862.
[14] M. R. Ansari, S. Rafiei Asl, N. Samkhaniani, Numerical simulation of slug flow pattern in T junction using volume of fluid method, Modares Mechanical Engineering, 15(10) (2015) 41-48. (In Persian)
[15] O.N. Kashinsky, P.D. Lobanov, M.A. Pakhomov, V.V. Randin, V.I. Terekhov, Experimental and numerical study of downward bubbly flow in a pipe, Heat and Mass Transfer, 49 (2007) 3717–3727.
[16] M.R. Rahimi, H. Karimi, Computational fluid dynamics modeling of downward bubbly flows, World Academy of Science, Engineering and Technology, 73 (2006) 832- 836.
[17] Hadidi, D. Jalali-Vahid, Numerical study of the uniform magnetic field effect on the interactions of bubbles in viscous liquid column, Modares Mechanical Engineering, 15(11) (2015) 293-302. (In Persian)
[18] A.R. Hasan, Void fraction in bubbly and slug flow in downward vertical and inclined systems, Society of Petroleum Engineers, SPE 26522, (1995) 172-176.
[19] H. Goda, T. Hibiki, S. Kim, M. Ishii, J. Uhle, Drift-flux model for downward two-phase flow, Heat and Mass Transfer, 46 (2003) 4835-4844.
[20] D. Dakshinamoorthy, Y. Dai, M. Agrawal, CFD modelling of bubbly, slug and annular flow regimes, Offshore Technology Conference, OTC 24245, 2013.
[21] P. Hanafizadeh, S. Ghanbarzadeh, M.H. Saidi, Visual technique for detection of gas–liquid two-phase flow regime in the airlift pump, Petroleum Science and Engineering, 75(3-4) (2011) 327-335.
[22] E. Stenmark, Multiphase Flow Models in Ansys CFD Software, M.Sc ‌Thesis, Department of Applied Mechanics, Charmles University of Technology, Goteberg, Sweden, 2013.
[23] ANSYS FLUENT, 16.0 User’s Guide. ANSYS Inc, 2015.
[24] Y. Shen, C.-O. Ng, A. Chwang, A two-fluid model of turbulent two-phase flow for simulating turbulent stratified flows, Ocean engineering, 30(2) (2003) 153- 161.
[25] I. Lun, R.K. Calay, A.E. Holdo, Modeling two-phase flows using CFD, Apply Energy, 53 (1996) 299–314.
[26] L. Szalinski, L.A. Abdulkareem, M.J. Da Silva, S. Thiele, M. Beyer, D. Lucas, V. Hernandez Perez, U. Hampel, B.J. Azzopardi, Comparative study of gas–oil and gas–water two-phase flow in a vertical pipe, Chemical Engineering Science, 65(2010) 3836-3848.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 51، شماره 2
خرداد و تیر 1398
صفحه 413-426

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار