مطالعه عددي پخش و نشست ذرات كروي با اندازه نانو و ميكرو در جريان گاز تراكم-ناپذير آشفته در داخل يك كانال داراي زبري مصنوعي

Numerical study on dispersion and deposition of nano and micro spherical particles in turbulent incompressible gas flow inside a channel with artificial roughness

پديده پخش و نشست ذرات نانو و ميكرو در جريان آشفته در چند دهه گذشته مورد توجه قرار گرفته است. در اين مقاله، پخش و نشست ذرات در جريان آشفته تراكم‏ناپذير دوفازي گاز- ذره در داخل كانال دوبعدي داراي زبري مصنوعي (برجستگي هاي منظم) مستطيلي با استفاده از روش اويلري- لاگرانژي مورد بررسي قرار گرفته است. جريان فاز گاز با استفاده از مدل آشفتگي RSM با تابع بهبوديافته ديواره شبيه سازي شده است. اعتبار شبيه‌سازي جريان فاز گاز با مقايسه نتايج آن با داده هاي تجربي موجود براي جريان آشفته توسعه يافته در يك كانال نامتقارن بررسي شده است. رديابي ذرات در فاز گسسته با استفاده از مدل لاگرانژي انجام شده است. معادله لاگرانژي حركت ذره شامل نيروي درگ، نيروي گرانش، نيروي بالابر سافمن و نيروي براوني مي‏باشد. اعتبارسنجي شبيه‌سازي حركت ذرات با مقايسه بين نتايج حاضر با معادلات تجربي و نتايج معتبر قبلي براي حركت ذرات داخل يك كانال دوبعدي صاف انجام شده است. نتايج شبيه‌سازي فاز گاز نشان مي دهد كه با افزايش ارتفاع زبري مصنوعي، گردابه هاي ايجاد شده در فضاي بين دو زبري بزرگتر مي شود. نتايج فاز ذرات نشان مي دهد كه مقادير رسوب در كانال هاي داراي زبري مصنوعي، تابع دو عامل نيروي گرانش و الگوي جريان گاز در فضاي بين دو زبري است. مقادير رسوب براي ذرات سبك، بيش تر تابع الگوي جريان در فضاي بين دو زبري است و با بزرگتر شدن ذرات، اثر الگوي جريان كمتر و اثر نيروي گرانش بيش تر مي-شود.

Phenomenon of dispersion and deposition of nano- and micro-particles in turbulent flows have been focused on in the past decades. In this paper, particle dispersion and deposition in gas-particle two-phase turbulent flow inside a two-dimensional channel with rectangular artificial roughness is studied using an Eulerian–Lagrangian method. The RSM turbulence model with enhanced wall treatment was used to simulate the anisotropic turbulent gas phase flow. The gas phase flow predictions were validated by comparing the results with available experimental data for a fully developed asymmetric turbulent channel flow. In discrete phase, Lagrangian approach was applied for particle tracking. The Lagrangian equation of particle motion includes drag, gravity, Saffman lift, and Brownian forces. The particle phase simulation results were validated by comparing the present work with available equations and valid data for a gas particles turbulent flow inside a two-dimensional smooth channel. The gas phase simulation results show that by increasing the artificial roughness height, a recirculation region that is created in the space between two ribs, becomes larger. The particle phase results show that the rate of deposition in the channel with artificial roughness is a function of gravity force and flow pattern in the mentioned space. The rate of deposition for small particle is affected significantly by gas flow pattern in the space between two ribs. However, for large particles the gravity force is more dominant.