تحليل غير خطي ناپايداري نوسانات موج چگالي در فرايند جوشش درون يك كانال با استفاده از يك مدل تحليلي جديد

Analysis of Density Wave Oscillations in a Boiling Channel by a New Analytical Model

ناپايداري جريان دوفاز در بسياري از حوزه‌هاي صنعتي نظير توربوماشين، سيستم‌هاي تبريد، راكتور آب جوشان مشاهده مي‌شود. پيش‌بيني پارامتر‌هاي جريان مانند افت فشار، محدوده پايداري و مشخصات نوسانات، عوامل تعيين كننده‌اي در طراحي و شرايط ايمني كاركرد تجهيزات است. در اين مقاله ناپايداري نوسانات موج چگالي جريان سيال دوفاز در فرايند جوششي مورد تحليل قرار گرفته ‌است. با معرفي متغيرهاي بدون بعد، يك مدل يكپارچه براي فرايند ارائه شده ‌است. با آناليز عددي مدل، به وسيله كاربرد يك روش توسعه يافته مبتني بر روش عددي "وزن دادن به مانده‌ها"، مدل جهت دست‌يابي به پاسخ سيستم براي شرايط پايا حل شده‌است. محدوده ناپايداري بر روي صفحه با مختصات فركانس واكنش و نسبت فركانس واكنش به سرعت جرمي ورودي با استفاده از تحليل انجام شده مشخص شده‌ است و همچنين تاثير عدد اصطكاكي بر آن مورد بررسي قرار گرفته ‌است. تاثير افزايش سرعت جرمي، ميزان مادون سرد بودن، تغييرات فشار و ساير پارامتر‌هاي مهم فرايند بر مشخصات نوسانات و همينطور محدوده ناپايداري بررسي شده ‌است. نتايج نشان مي‌دهد با افزايش سرعت جرمي، سيستم نسبت به رخداد نوسانات موج چگالي پايدارتر مي‌گردد. كيفيت بحراني بخار خروجي نيز با افزايش سرعت جرمي كاهش مي‌يابد و دروه تناوب نوسانات موج چگالي و دامنه آن با افزايش سرعت جرمي افزايش مي‌يابد.

Two-phase flow instabilities are observed in many areas of industrial applications such as turbomachinery, refrigeration systems, water boiling reactors and similar systems. Predicting fluid flow parameters such as pressure drop, stability region during boiling and oscillation characteristics are the determining factors in the design of two-phase flow equipment. In this paper, density wave oscillations type instability in boiling process is analyzed. By introducing appropriate dimensionless variables, an integrated model for the process is presented. The model is solved for steady state response of the system by using numerical analysis of a developed numerical method based on weighted residual method. Stability region is determined in reaction frequency versus ratio of reaction frequency to inlet mass flow plane. In addition, friction number effect on stability threshold is assessed. The effect of mass flow rate, inlet subcooling, system pressure and other important process parameters on the oscillation characteristics as well as the instability boundary are investigated. The results show that with increasing mass flow, the system becomes more stable for density wave oscillations occurrence. The critical quality of the exhaust vapor also decreases with increasing mass flow. On the other hand, the period of oscillations and its amplitude increases with increasing mass flow.