شبيه سازي سه‌بعدي رژيم جريان دوفازي اسلاگ در كانال افقي به روش حجم سيال

Three dimensional simulation of slug two-phase flow regime in a horizontal channel using VOF method

در مقاله حاضر، رژيم جريان دوفازي اسلاگ در كانال افقي با مقطع مستطيلي به روش حجم سيال (VOF)شبيه سازي عددي شده است. معادلات بقاي جرم و مومنتم و معادله جابه جايي كسر حجمي به همراه معادلات اغتشاشي k-? SSTدر نرم افزار متن بازاپن‌فومحل شده است. شبيه‌سازي‌ها مطابق باشرايط آزمايشگاهي در كانال با مقطع مستطيلي انجام شده است. با توجه به نتايج شبيه‌سازي،تشكيل ناپايداري‌ها بر-اساس معيار كلوين-هلمهولتز و تشكيل اسلاگ در حل سه بعدي مغشوش ديده مي شود. در شبيه سازي و آزمايش، ارتفاع فاز مايع در كانال كمي افزايش مي‌يابد و به سبب آن شرط ناپايداري كلوين-هلمهولتز ارضا و با رشد ناپايداري‌ها در سطح مشترك، اسلاگ ايجاد مي‌شود.با ايجاد اسلاگ و مسدود شدن مقطع كانال توسط فاز مايع، فشار پشت اسلاگ به طور قابل توجهي افزايش مي‌يابد. به دليل گراديان فشار بزرگ تر در ابتداي اسلاگ نسبت به انتهاي آن، طول اسلاگ در امتدادكانال افزايش مي‌يابد. شبيه سازي عددي تحقيق حاضر، قادر به پيش-بيني صحيح طول اسلاگ مطابق با آزمايش و مكان ايجاد آن با خطاي 22% بوده است. همچنين در مقايسه با تحقيق ديگران، نتايج عددي كار حاضر نشان دهنده بهبود و دقت بالاتر در پيش بيني جريان است.

In this article, two-phase slug flow is simulated numerically in a horizontal duct with rectangular cross-section using Volume Of Fluid (VOF) method. Conservation equations of mass, momentum and advection equation are solved in open source OpenFOAM code accompanying k-? SST turbulence equations. Simulation is conducted based on theexperimental results in the duct with rectangular cross-section. The results shows, due to Kelvin-Helmholtz (K-H) instability criteria slug initiation forms in the air-water interface during three dimensional turbulence modeling. Water level was increased slightly at interface in both numerical simulation and experiment. This level increase satisfies the K-H instability to generate a slug at interface. During slug initiation, the pressure behind slug is increased significantly. Big pressure gradient at the beginning of the slug in compare to the end of it causes the slug length to be increased as propagate along the duct. The numerical simulation of present research is capable of predicting the slug length accurately in accordance with experiment; however, the slug position with 22% inaccuracy was obtained. Comparison of the results with the numerical and experimental results of other researchers confirms higher accuracy of flow prediction in the present work.