Gaz-partikül iki fazlı girdaplı akışların matematik modellenmesi ve sayısal çözümü

Abstract

Çok fazlı ve girdaplı akışlar, akışkanlar dinamiğinin en önemli ve kompleks alanlarından biridir. Siklonlar iç içe geçmiş girdap yapısından dolayı çok fazlı ve girdaplı akışları çözmek ve araştırmak için çok uygundur. Bu yüzden girdaplı ve çok fazlı akışların matematik modellenmesi için siklonlar kullanılmıştır.Bu çalışmada teğetsel girişli bir siklonda giriş geometrisinin basınç kaybı ve partikül toplama verimi üzerine etkileri hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile araştırılmıştır. Teğetsel girişli siklon için üç boyutlu, sürekli rejimde korunum denklemleri belirlenen sınır şartlarında sıkıştırılamaz ve türbülanslı akış için sayısal olarak çözülmüştür. Hesaplamalarda Reynold Stres türbülans modeli kullanılmıştır. Birincil faz olan hava için akış alanı için Navier-Stokes denklemleri çözülmüştür. İkinci faz olan partikül ise Lagrangian yöntem ile modellenmiştir. Sayısal analizlerde ticari CFD yazılımı olan Fluent kullanılmıştır. Hesaplanan sonuçlar literatürden benzer sonuçlar ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Giriş kesiti farklı geometrik oranlara sahip siklonlar çalışılmıştır.Elde edilen sonuçlar siklon giriş kesitinin siklon performansı üzerinde önemli mertebede etkili olduğunu göstermektedir. Ancak giriş geometrisinin verim ve basınç düşümüne etksi doğrusal değildir. Ayrıca yüksek giriş kesitinde siklon içerisinde giren havanın siklon içerisinde yeteri kadar dönmeden çıkış borusundan kaçtığı gözlemlenmiştir. Bundan dolayı optimum giriş yüksekliğinin tesbiti için diğer geometrik ölçülerde hesaba katılmalıdır.

The multiphase and swirling flows are one of the most important and complex fields of fluid dynamics. Cyclone seperators are very convenient to solve and investigate multiphase and swirling flows due to the double vortex structure of the flow. Therefore, cyclones were used for mathematical modeling of swirling and multiphase flows. This work presents a computational fluid dynamic simulation to investigate the effects of inlet geometry on the pressure drop and particle collection efficiency of a tangential inlet cyclone. Three-dimensional, steady governing equations for the incompressible, turbulent flow inside a tangential inlet cyclone are solved numerically under certain boundary conditions. Reynold Strees turbulence model was used. The continuous gas flow is predicted by solving Navier–Stokes equations. The second phase is modeled based on a Lagrangian approach. The commercial CFD code Fluent was used for numerical analysis. Computational results compared experimental data available in the literature for validation. Various cyclones, each has different geometrical ratio of inlet section were studied. The obtained results show that inlet geometry influences cyclone performance considerably. However, this effect of inlet height is not linear. The design of the high inlet section generates a flow structure that increases the escape of fluid from the main flow to the exit without making enough number of revolutions before exiting. Therefore, an optimum inlet height should be present depending on the other geometrical dimensions.