مطالعه تجربي-عددي برهمكنش قطره نفتي با حباب گازي در محلول هاي آبي

دكتري تخصصي (PhD)

در رساله حاضر، برهمكنش بين قطرات روغني/نفتي مختلف با حبا¬ب¬هاي هوا درون محيط¬هاي آبي متنوع مورد مطالعه قرار گرفته است. محيط¬هاي آبي كه به عنوان سيال بستر مورد استفاده قرار گرفتند شامل آب ديونيزه، محلول آب نمك و تركيب آب ديونيزه با درصدهاي حجمي مختلف گليسيرين هستند، در حاليكه براي توليد قطرات از سيالاتي مانند بنزين، نفت خام، روغن آفتابگردان و روغن سيليكون در ويسكوزيته¬هاي مختلف (mPa.s 5-350) بهره گرفته شد. جهت انجام آزمايشات، دستگاه تست خاصي طراحي و ساخته شد، به گونه¬اي كه امكان مشاهده و ضبط فرآيند برهمكنش بين حباب/قطره به وسيله دوربين سرعت بالا ميسر گردد. نتايج اين آزمايشات در حالت شبه¬ استاتيك و تماس كنترل شده نشان مي¬دهد كه وجود نمك در فاز پيوسته هم خود مدت زمان تخليه فيلم بينابيني و هم ميزان تغييرات آن در آزمايشات يكسان تكرار شده را كاهش مي¬دهد. به عبارت بهتر، مدت زمان¬هاي تخليه محاسبه شده در آب نمك نسبت به آب خالص داراي پراكندگي كمتر و ماهيت متمركزتري دارند. در حالت ديناميك و برخورد حباب در حال صعود با قطره معلق نيز رفتار مشابهي مشاهده گرديد. برآورد بازدهي كپسولاسيون در محلول¬هاي آب نمك 0.05، 0.1 و 0.6 مول حاكي از افزايش عمومي تعداد كپسولاسيون موفق نسبت به آب خالص است. همچنين در اين حالت نسبت قطر بحراني حباب به قطره (Dcr=Db/Dd) براي كپسولاسيون كاهش و مدت زمان پوشش حباب با افزايش Dd/Dbافزايش مي¬يابند. نتايج به¬دست آمده حاكي از آن است كه علاوه بر ضريب پخش، پارامتر¬هايي از قبيل انرژي جنبشي، سرعت در لحظه¬ي برخورد و مدت زمان تماس بر بازدهي اين پديده تأثير¬گذار هستند. در بررسي اثر تغيير خواص سيال بستر مشاهده شد كه بازدهي كپسولاسيون براي همه روغن¬ها با افزايش درصد حجمي گليسيرين (افزايش ويسكوزيته محيط) كاهش مي¬يابد. اين مشاهده با پيش¬بيني تئوري مبتني بر ضريب پخش قطره روغني كه با كشش سطحي بين سه سيال تعيين مي¬گردد، همخواني خوبي دارد و با افزايش ضريب پخش، يعني كاهش كشش بين سطحي قطره و سيال پيوسته بازدهي كپسولاسيون افزايش مي¬يابد. نقشه نموداري برخورد بر حسب دو عدد بي¬بعد وبر (We) و كپيلاري (Ca) نشان¬ مي¬دهد كه با افزايش Ca، براي تشكيل كپسولاسيون، عدد وبر نيز بايد افزايش پيدا ¬كند. همچنين در اين نمودار، خط سهمي از مرتبه¬ 3 معرفي شد كه جدا¬كننده¬ي محدوده¬ي تشكيل و عدم تشكيل كپسولاسيون مي¬باشد. در بخش مطالعه عددي، ابتدا برنامه محاسباتي به روش بولتزمن شبكه¬اي مبتني بر ميدان فازي (Phase-field LBM) در زبان برنامه نويسي فرترن توسعه يافت. اين كد محاسباتي امكان درنظرگيري نسبت¬هاي چگالي بالا بين حباب و آب (O(1000)) و نيز شبيه¬سازي پخش/ترشوندگي كامل فازها را دارا مي¬باشد و لذا در زمره پيشگامان مدل¬هاي LBM سه فازي با قابليت¬هاي مذكور قرار مي¬گيرد. شبيه¬سازي-هاي برخورد قطره-حباب نيز در دو بخش انجام گرفتند. در ابتدا برخورد بين دو قطره امتزاج ناپذير با سرعت اوليه نسبي درون محيط مايع بررسي گرديد. علاوه بر تصوير جزئيات برهمكنش و بحث در خصوص هيدروديناميك جريان، ماحصل برخورد به صورت نقشه¬هاي عدد وبر-پارامتر برخورد (We-B) در حالت¬هاي مختلف (ائر نسبت چگالي، نسبت ويسكوزيته و كشش بين سطحي) ارائه شدند. سه رژيم برخوردي ائتلاف (I)، بازگشت (II) و ائتلاف همراه با بدام افتادن قطره كوچكي از فاز پيوسته (III) در اين بخش شناسايي شده و خطوط انتقالي/جداكننده اين رژيم¬ها در حالت مشخص گرديدند. در قسمت دوم مطالعه عددي، فرآيند برخورد قطره و حباب در حال صعود با استفاده از خواص سيال واقعي و كاربردي و انتقال مقادير پارامترها از فضاي فيزيكي به فضاي بولتزمن شبكه¬اي شبيه¬سازي گرديد. نتايج اين بخش براي مراحل برهمكنش و نحوه پخش انواع قطرات با اندازه و لزجت¬هاي متنوع مطابقت خوبي با مشاهدات تجربي دارند. اين نتايج نشان مي¬دهند كه مدت زمان¬هاي برخورد (tcollision) و پخش (tspreading) با كاهش ضريب پخش، افزايش ويسكوزيته قطره و ويسكوزيته فاز پيوسته افزايش مي¬يابند. با افزايش چگالي قطره، مدت زمان برخورد كاهش و مدت زمان پوشش افزايش مي¬يابد. اين دو زمان مشخصه با شتاب گرانش و سرعت صعود رابطه عكس داشته و با افزايش آن كاهش مي¬يابند. همچنين براي حباب و قطره غير هم اندازه، در نسبت قطرهاي Dd/Db=0.5-1 مدت زمان¬ برخورد و پوشش با افزايش نسبت قطر روند نزولي داشته و براي نسبت قطرهاي بزرگتر از 1 مدت زمان برخورد افزايش يافته، اما مدت زمان پوشش تقريباً ثابت مي¬ماند. با بزرگتر شدن پارامتر برخورد B، كه نماينده ميزان خروج از مركزي برخورد است، مدت زمان برخورد و تخليه فيلم افزايش مي¬يابد. روند مدت زمان پوشش نيز تا B=0-0.4 كاهشي و پس از آن افزايشي است.

210667

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

سيد مصطفي حسينعلي پور