کليد واژه : ته نشيني ذرات، کانال دو بعدی، جريان مغشوش، مدل ، نیروی ترموفورز فهرست مطالبعنوان ----- صفحهفهرست علائم ....9فهرست شکل ها .......13فهرست جداول ....15فصل اول: مقدمه.......161-1مقدمه اي بر ذرات .....171-2مروری بر کارهای انجام شده ......231-3هدف از انجام این پروژه .....27فصل دوم: بیان مسئله و معادلات حاکم ....282-1مقدمه ......292-2بیان مسئله ........292-2-1هندسه مسئله ..........292-2-2فرضیات مسئله ........302-2-3معادلات حاکم بر سيال ....312-2-4شرايط مرزي ....312-3معادلات حاکم بر روش .....332-4حرکت ذرات معلق .............................................................................352-4-1نيروهاي موثر بر ذرات .........................................................................382-4-2معادله کلي حاکم بر ذره .....................................................................432-5شبیه سازی میدان جریان لحظه ای ........................................................44فصل سوم: روش حل مسئله ..................................................................473-1مقدمه .................................................................................................483-2نحوه شبکه بندی کانال ........................................................................493-3شبیه سازی میدان جریان ......................................................................503-4روش حل معادلات حاکم بر ذره .........................................................513-5محاسبه سرعت و دمای سیال در محل ذرات ..... ...................................52فصل چهارم: بررسي نتايج و بحث بر روی آنها .....................................554-1مقدمه ..................................................................................................564-2اعتبارسنجی نتایج ................................................................................564-3میدان سرعت لحظه ای ........................................................................604-4بررسي اثرات نیروهای مختلف بر پخش و ته نشینی ذرات .....................614-4-1اثر نیروی ترموفورز بر پخش ذرات .......................................................614-4-2اثر نیروهای ترموفورز و گرانش بر ته نشینی ذرات ................................66فصل پنجم: نتيجهگيري و پيشنهادات .....................................................745-1نتیجه گیری ..........................................................................................755-2پيشنهادات ............................................................................................76واژهنامه ................................................................................................77منابع ....................................................................................................79 فهرست علائمنیروی حجمی در جهت iغلظت سیالضريب تصحیح کانينگهامضريب ثابت در معادله 2-26 (14/1=)ضريب ثابت در معادله 2-26 (17/1=)ضريب ثابت در معادله 2-26 (18/2=)ضریب پخش ذراتقطر ذرهنیروی دراگنيروي برا در جهت iنیروی ترموفورزقسمتی از ترم چشمهعدد مستقل تصادفي گوس بین صفر و یکشتاب گرانشعرض کانالشار جرمیانرژی جنبشی آشفتهثابت بلتزمنضريب هدايت حرارتي سيالضريب هدايت حرارتي ذرهعدد نادسنطول کانالطول مقیاس آشفتگیجرم ذرهتعداد ذراتفشارعدد رينولدز() عدد رينولدز ذرهنسبت چگالی ذره به چگالی سیال() عدد اشمیتترم چشمهدماي سيالدمای دیوار کانالزمانزمان مقیاس آشفتگیدرايههاي سرعت در جهت x, yسرعت سيال در جهتiسرعت نوسانی لحظه ای در جهت iسرعت مقیاس آشفتگیسرعت متوسط سیالسرعت نوسانی سیالسرعت ذره در جهت iتنش عمودی دیوارجهت محورهاعلائم يونانيضريب انبساط گرمايينرخ اضمحلال انرژی جنبشی آشفتهیک متغیر غیر وابسته جریانضریب پخش مؤثر متغیرضريب ثابت در معادله 3-5 (42/0=)طول مسير ميانگين حرکت مولکول سياللزجت ديناميکيلزجت سينماتيکچگالي سيالچگالي ذرهزمان آرامش ذرهتنش برشی دیوارعدد تصادفی گوسی بین صفر و یکعدد تصادفی گوسی بین صفر و یکعدد تصادفی گوسی بین صفر و یکزيرنويسها و بالا نویس هاسردسیالگازنشان دهنده بردار يکهبرآمقدار میانگینذرهترموفورزديوارجهت محورها فهرست شکلهاعنوان صفحهشکل 1-2تصاویری از ذرات .......................................................................................17شکل 1-2نمونه ای از ذرات هم اندازه ( ذره بلورین پالادیوم) .......................................19شکل 1-3ذرات رشته ای فایبر گلاس ..........................................................................19شکل 1-4نحوه محاسبه قطرهای مختلف ذرات ............................................................21شکل 2-1هندسه مسئله ................................................................................................29شکل 2-2ذره در یک میدان سیال ................................................................................37شکل 2-3ذره در یک میدان برشی سیال ......................................................................40شکل 2-4اثر نیروی ترموفورز بر ذرات ........................................................................41شکل2-5اثر نیروی برونین ..........................................................................................42شکل 3-1شبکه محاسباتی ...........................................................................................50شکل 3-2موقعیت ذره در یک مش .............................................................................53شکل3-3میانگین گیری سطحی سرعت ......................................................................53شکل3-4فلوچارت کد ذره نوشته شده .......................................................................54شکل 4-1مقایسه پروفیل بی بعد سرعت متوسط جریان .................................................57شکل 4-2پروفیل بی بعد انرژی جنبشی آشفته و سرعت متوسط در جهت عمود به دیوار58شکل 4-3پروفیل بیبعد شدت نوسانات عمودی سرعت بدست آمده توسط مدلهای مختلف ........................................................................................................58شکل 4-4مقایسه پروفیل های سرعت متوسط در جهت جریان، سرعت در جهت عمود به جریان، دما و انرژی جنبشی آشفته در سه مقطع مختلف از کانال ................59شکل 4-5نمونه ای از سرعت های لحظه ای u و v بر حسب زمان بی بعد در y+=7 .......60شکل 4-6مسیر حرکت ذرات در حضور و عدم حضور نیروی ترموفورز برای یک چشمه ذرات در فاصله 20 واحد دیوار از دیوار پایینی کانال ..........................62شکل 4-7مسیر حرکت ذرات در حضور و عدم حضور نیروی ترموفورز برای یک چشمه ذرات در فاصله 1 واحد دیوار ازدیوارکانال .........................................63شکل 4-8مسیر حرکت ذرات در حضور و عدم حضور نیروی ترموفورز برای یک چشمه ذرات در فاصله 1 واحد دیوار از دیوار کانال برای قطرهای 01/0، 1 و 5 میکرومتر ...................................................................................................65شکل 4-9پخش اولیه ذرات .........................................................................................66شکل 4-10تغییرات سرعت ته نشینی بی بعد با زمان آرامش بی بعد در یک کانال عمودی با نیروی گرانش در جهت جریان در حضور و عدم حضور نیروی ترموفورز ..70شکل 4-11تغییرات سرعت ته نشینی بی بعد با زمان آرامش بی بعد در یک کانال افقی با نیروی گرانش در جهت جریان در حضور و عدم حضور نیروی ترموفورز ......71شکل 4-12مقایسه سرعت ته نشینی ذرات در کانال های افقی و عمودی .........................72شکل 4-13تغییرات سرعت ته نشینی پیش بینی شده توسط مدل های تجربی تحت تأثیر گرادیان های دمایی مختلف .........................................................................73 فهرست جداولعنوان صفحهجدول 1-1اندازه قطر ذرات پرکاربرد بر حسب میکرومتر ..............................................22جدول 2-1فرم ریاضی برای هریک از معادلات انتقال در مدل ..............................34جدول 3-1بررسی حساسیت شبکه نسبت به حل جریان .................................................50جدول 4-1قطر ذرات و زمان آرامش بی بعد مطابق با آن ...............................................66 فصل اول مقدمه 1-1 مقدمه اي بر ذرات[1]:ذرات معلق هميشه و در همه جا در محيط پيرامون ما وجود دارند. ذرات، ريزه‌هاي مواد جامد و مايع معلق در يک سيال مي‌‌باشند. گرده‌هاي گياهان در فضاي محيط اطراف، ذرات گرد و خاک که با جريان بادها منتقل و پخش مي‌‌شوند، فوران آتشفشان‌ها و پخش خاکستر در فضاي اطرف، بالا رفتن دود غليظ به اتمسفر و همچنين خيلي از فعاليت‌هاي انسانها باعث به وجود آمدن و پخش ذرات در محيط پيرامون ما مي‌‌شوند. در شکل زیر تصاويري از ذرات مختلف آورده شده است. (الف)(ب)شکل1-1 : تصاويري از ذرات (الف) ذغال سنگ، (ب) کربن [2] ذرات از نظر نوع، شکل ظاهري و اندازه به دسته های مختلفی تقسیم می شوند که در ادامه توضیح مختصری در این زمینه داده می شود.گرد و غبار: مواد جامدي که به واسطه از هم پاشيدگي در فرايند هايي نظير سنگ شکني، سمباده زدن، انفجار و مته زني به وجود مي‌‌آيند. اين ذرات ريز توليد شده از همان مواد اوليه و تفکيک شده خود هستند و از نظر اندازه در طيف زير ميکروسکوپي تا ميکروسکوپي قرار مي‌‌گيرند.بخارهاي شيميايي: ذرات جامدي که حاصل واکنش شيمي- فيزيکي هستند که در فرآيندهايي نظير احتراق، تصعيد و يا تقطير به وجود مي‌‌آيند. به عنوان نمونه‌هاي معمول از اين ذرات ميتوان به ذرات اکسيد فسفر، اکسيد آهن و اکسيد روي اشاره کرد. ذراتي که بخارات شيميايي را تشکيل مي‌‌دهند بسيار کوچک مي‌‌باشند و در مقياس‌هاي زير 1 ميکرومتر مي‌‌باشند. اين ذرات ميل زيادي به اجتماع کردن و لخته شدن دارند.دود: يک ابر از ذرات معلقي که از فرايند اکسيداسيون مانند سوختن تشکيل مي‌‌شود. به طور کلي، دود‌ها به عنوان ذرات داراي منشأ سازماندهي شده در نظر گرفته مي‌‌شوند و عموماً از ذغال سنگ، نفت، چوب و يا سوختهاي فسيلي ديگر به وجود مي‌‌آيند. ذرات دود در اندازه‌هاي زير 1 ميکرومتر هستند.مه: اين ذرات حاصل از پاشش مايعات و يا ميعان بخار به وجود مي‌‌آيند. اين ذرات به صورت کروي در نظر گرفته مي‌‌شوند و به قدري هستند که ميتوان آنها را به صورت معلق در يک جريان هواي آرام مشاهده کرد. هنگام به هم پيوستگي اين ذرات و تشکيل ذرات بزرگتر در حدود 100 ميکرومتر، ميتوان آنها را به شکل باران مشاهده کرد.فرض کروی بودن ذرات، یک فرض بسیار مناسب برای سادهتر کردن محاسبات و تجسم کردن راحتتر حرکت آنها می باشد. به جز ذرات مايع که هميشه کروي هستند، قالب‌ها و شکل‌هاي بسيار متفاوتي براي شکل ذرات وجود دارد که اين قالب‌ها و شکلها را ميتوان به سه گروه تقسيم بندي کرد :1) ذرات هم اندازه: اين ذرات داراي اندازه مساوي در هر سه بعد فضايي خود مي‌‌باشند. کروي،چند وجهي، متساوي الاضلاع در اين تقسيم بندي قرار مي‌‌گيرند. تا کنون بيشترين تحقيقات و دانش بشري پيرامون اين دسته از ذرات بوده است. شکل 1-2 نمونهاي از ذرات هم اندازه را نشان ميدهد. شکل 1-2 : ذره بلورین پالادیوم [4] 2) ذرات صفحهاي: اين ذرات داراي دو بعد بزرگ و يک بعد کوچک مي‌‌باشند. برش‌هاي صفحهاي در اين دسته بندي قرار مي‌‌گيرند. اطلاعات بسيار محدودي پيرامون رفتار ذرات صفحهاي معلق در سيال موجود مي‌‌باشد و اکثراً اطلاعات دريافت شده از بررسي ذرات کروي را به اين نوع ذرات تعميم مي‌‌دهند. 3) ذرات رشتهاي: اين ذرات داراي يک بعد بلند و طولاني در مقايسه با دو بعد بسيار کوچک خود هستند. براي نمونه ميتوان به ذرات بلوري، سوزني و يا معدني مانند پنبه کوهي اشاره کرد. اخيراً، با توجه به اهميت سلامتي و خطر تنفس اين گونه ذرات معلق در هوا، تحقيقات تازه‌اي بر روي حرکت اين گونه از ذرات در سيال شکل گرفته است ولي هنوز اطلاعات مفيد زيادي در اين زمينه وجود ندارد. شکل 1-3 : ذرات رشتهاي فايبر گلاس [3]شکل و قالب ذرات ميتواند با توجه به روش تشکيل و يا جنس و ذات مواد مادر تشکيل دهنده ذرات تغيير کند. ذراتي که به روش ميعان يک بخار به وجود مي‌‌آيند معمولا به شکل کروي هستند (مخصوصاً زماني که در حين تشکيل به درون يک فاز مايع وارد شوند). ذراتي که با روش‌هاي خرد شدن و يا مته زني به وجود مي‌‌آيند به ندرت به شکل کروي مي‌‌باشند مگر اينکه در حال تشکيل ذرات، فاز مايع نيز تشکيل شود و حباب‌هاي بوجود آماده کروي در نظر گرفته مي‌‌شود.ذرات معلق عموماً کروي و يا شبه کروي در نظر گرفته مي‌‌شوند. شعاع ذره و هم قطر ذره ميتواند براي بيان اندازه ذره بکار برده شود. در بحث‌هاي تئوريک خواص ذرات، به کار بردن شعاع بسيار معمول مي‌‌باشد هر چند که در بيشتر نمونه‌هاي کاربردي قطر ذره را به عنوان بيانگر اندازه استفاده مي‌‌کنند. در اين تحقيق از قطر ذره براي بيان اندازه استفاده شده است.پس از انتخاب قطر به عنوان مبناي دسته بندي ذرات، روش‌هاي گوناگوني براي محاسبه قطر يک ذره وجود دارد که دو روش از عموميت بيشتري برخوردار مي‌‌باشند: قطر فرت[2] و قطر مارتين[3]. اين دو روش اشاره به ارزيابي تقريبهاي بکار برده شده براي تعيين اندازه ذره از مشاهده تصاوير طرح ريزي شده تعدادي از ذرات غير معمول دارد. قطر فرت: بيشترين فاصله يک لبه تا لبه ديگر در يک ذره. قطر مارتين: طول خطي است که هر ذره را به دو قسمت مساوي تقسيم مي‌‌کند.از آنجا که اين نوع اندازه گيري‌ها به جهت گيري ذرات وابسته و متغيراست (به علت سه بعدي بودن ذرات)، بايد در جهات مختلف اندازه گيري و مقايسه شوند تا قابل قبول واقع شود. بنابراين با فرض جهت يابي تصادفي ذرات، قطر ميانگين محاسبه مي‌‌شود. اين مشکلات اندازه گيري را ميتوان با روش‌هاي ديگري بر طرف کرد که در ادامه به توضيح آنها پرداخته می شود.قطر معادل مساحت: قطر يک دايره است که مساحت آن معادل با مساحت تصوير شده ذره مي‌‌باشد.شکل زير تفاوت‌هاي محاسبه سه قطر مختلف را نشان ميدهد.[1] مطالب این قسمت از مراجع [5- 1] نقل شده است.Feret’s DiameterMartin’s Diameter