مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی رژیم شکلی صعود حباب هوای تزریق‌شده در ستون آب به روش عددی و آزمایشگاهی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
علی جهانگیری 1
سهند مجیدی 1
خسرو روشندل 2
داریوش برزویی 1
سید فرحان موسویان 1
میلاد ناجی‌رنجبر 1
1 گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
2 گروه سیستم‌های انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
چکیده
شناخت تاریخچه تولید و دینامیک رشد یا محو حباب‌ها تحت شرایط محیطی مختلف نقش مهمی را در درک صحیح در فرآیند جوشش، تبخیر، کاویتاسیون و چگالش ایفا می‌کند. در این مقاله رژیم شکلی تصعید حباب هوا درون ستون آب مطالعه و با استفاده از روش­های عددی و آزمایشگاهی شبیه‌سازی شده است. برای این منظور از یک ستون پر از آب در ابعاد آزمایشگاهی به عنوان سیال میزبان استفاده شده و با استفاده از روش عکس‌برداری پرسرعت، مهم‌ترین خواص هیدرودینامیکی حباب‌ها مانند سرعت، اندازه، مسیر حرکت و سایر خواص مربوط به حباب اندازه‌گیری شد. سپس به روش دینامیک سیالات محاسباتی و مدل دوفازی حجم سیال، صعود و تغییر شکل تزریق تک‌حباب در یک مخزن ساکن شبیه‌سازی شد و با نتایج عددی و تجربی پیشین و حاضر مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج حاصل از این اعتبارسنجی با تقریب خوبی منطبق بر نتایج مرجع بوده و صحت عملکرد حلگر مورد استفاده و تنظیمات آن را اثبات نموده است. در نهایت با محاسبه اعداد بی­بُعد اتووس و مورتن، رژیم شکلی حباب تعیین شده و با رژیم شکلی به دست آمده از شبیه‌سازی عددی و آزمایش تجربی مقایسه شد. رژیم به دست آمده از نمودار کلیفت، رژیم کپسول کروی بوده که با رژیم شکلی حباب شبیه­سازی شده به روش عددی و آزمایشگاهی در شرایط یکسان کاملاً انطبق دارد واینموضوع اعتبار حل عددی را اثبات می­کند .
کلیدواژه‌ها
صعود حباب
رژیم شکلی
دیاگرام کلیفت
شبیه‌سازی سه‌بُعدی عددی و آزمایشگاهی

موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical and Experimental Investigation of the Rising Shape Regime of the Air Bubble Injected into the Water Column

نویسندگان English

A. Jahangiri 1
S. Majidi 1
Kh. Roshandel 2
D. Borzuei 1
S.F. Moosavian 1
M. Naji Ranjbar 1
1 Energy Conversion Department, Mechanical & Energy Engineering Faculty, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Energy Systems Department, Mechanical & Energy Engineering Faculty, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده English

Investigating the history of production and dynamics of growing or collapsing bubbles under various environmental conditions plays an important role in the correct understanding of the process of boiling, evaporation, cavitation, and condensation. In this paper, the rising shape regime the air bubble injected into the water column was studied and simulated using numerical and experimental methods. For this purpose, a column filled with water was used in the laboratory as a host fluid and using the high-speed image recording method, the most important hydrodynamic properties of the bubbles, such as velocity, size, pathway, and other bubble properties were measured. Then, using the computational fluid dynamics and the volume of fluid two-phase flow model, ascent and deformation of the single-bubble injected into a stationary reservoir were investigated and compared with previous and current experimental and numerical results. The result of this validation with a good approximation was in accordance with the reference results and it proved the correctness of the solver's and its settings. Finally, the bubble shape regime was calculated by the non-dimensional numbers of Eötvös and Morton and compared with the numerical simulation and empirical test. The regime obtained from the Clift diagram is a spherical cap regime, which at the same conditions, is in accordance with the bubble shaped regime simulated by numerical and experimental methods and this confirms the validity of the numerical solution.

کلیدواژه‌ها English

Bubble Rising
Shape Regime
Clift Graph
3-D Numerical and Experimental Simulation
Clift R, Grace JR, Weber ME. Bubbles, drops, and particles. Chelmsford: Courier Corporation; 2005. [Link]
Jahangiri A, Biglari M. Investigation of transport phenomena in a vapour film formed in contact between hot metallic sphere and water. Journal of Mechanics. 2014;30(4):423-433. [Link] [DOI:10.1017/jmech.2014.30]
Jahangiri A. Modeling the growth of a vapor film formed in contact between a hot metal sphere and water in pressure vessels. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. 2019;233(2):184-194. [Link] [DOI:10.1177/0954408918760894]
Bonometti T, Magnaudet J. An interface-capturing method for incompressible two-phase flows. Validation and application to bubble dynamics. International Journal of Multiphase Flow. 2007;33(2):109-133. [Link] [DOI:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2006.07.003]
Jahangiri A, Biglari M. The stability of vapor film immersed in superfluid helium on the surface of the hot ball. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. 2016;230(6):433-439. [Link] [DOI:10.1177/0954408914559571]
Krishna R, Van Baten JM. Simulating the rise characteristics of gas bubbles in liquids using CFD. Chemical Engineering & Technology. 2001;24(4):427-430.
https://doi.org/10.1002/1521-4125(200104)24:4<427::AID-CEAT427>3.0.CO;2-0 [Link] [DOI:10.1002/1521-4125(200104)24:43.0.CO;2-0]
Clarke NN, Rezkallah KS. A study of drift velocity in bubbly two-phase flow under microgravity conditions. International Journal of Multiphase Flow. 2001;27(9):1533-1554. [Link] [DOI:10.1016/S0301-9322(01)00027-1]
Van Sint Annaland M, Deen NG, Kuipers JAM. Numerical simulation of gas bubbles behaviour using a three-dimensional volume of fluid method. Chemical Engineering Science. 2005;60(11):2999-3011. [Link] [DOI:10.1016/j.ces.2005.01.031]
Bhaga D, Weber ME. Bubbles in viscous liquids: Shapes, wakes and velocities. Journal of Fluid Mechanics. 1981;105:61-85. [Link] [DOI:10.1017/S002211208100311X]
Khodadadi S, Sam Khaniani N, Gorji M, Domiri Ganji D, Ansari MR. Numerical simulation of bubble impact and movement alongside to the inclined plate with VOF method. Modares Mechanical Engineering. 2015;15(10):329-340. [Persian] [Link]
Ansari MR, Salimi E, Habibpour B, Adibi P. Numerical simulation and investigation of bubble velocity and deformation in inclined channel with two consecutive slopes using VOF-PLIC method. Modares Mechanical Engineering. 2015;14(11):29-36. [Persian] [Link]
Hadidi A, Nimvari ME, Ansari M. Simulation of oblique coalescence of a pair of bubbles using Level Set method. Modares Mechanical Engineering. 2018;18(2):331-341. [Persian] [Link]
Balcázar N, Lehmkuhl O, Jofre L, Rigola J, Oliva A. A coupled volume-of-fluid/level-set method for simulation of two-phase flows on unstructured meshes. Computers & Fluids. 2016;124:12-29. [Link] [DOI:10.1016/j.compfluid.2015.10.005]
Larimi MM, Ramiar A. Two-dimensional bubble rising through quiescent and non-quiescent fluid: Influence on heat transfer and flow behavior. International Journal of Thermal Sciences. 2018;131:58-71. [Link] [DOI:10.1016/j.ijthermalsci.2018.05.031]
Wang Ch, Cai J. Numerical simulation of bubble rising behavior in liquid LBE using diffuse interface method. Nuclear Engineering and Design. 2018;340:219-228. [Link] [DOI:10.1016/j.nucengdes.2018.09.041]
Niethammer M, Brenn G, Marschall H, Bothe D. An extended volume of fluid method and its application to single bubbles rising in a viscoelastic liquid. Journal of Computational Physics. 2019;387:326-355. [Link] [DOI:10.1016/j.jcp.2019.02.021]
Berberović E, Van Hinsberg NP, Jakirlić S, Roisman IV, Tropea C. Drop impact onto a liquid layer of finite thickness: Dynamics of the cavity evolution. Physical Review E. 2009;79(3):036306. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevE.79.036306]
Hysing S, Turek S, Kuzmin D, Parolini N, Burman E, Ganesan S, et al. Quantitative benchmark computations of two‐dimensional bubble dynamics. International Journal for Numerical Methods in Fluids. 2009;60(11):1259-1288. [Link] [DOI:10.1002/fld.1934]
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 20، شماره 1
دی 1398
صفحه 97-106