تحلیل هیپربولیکی جهت مشخص‌کردن محدوده خوش‌رفتاری مدل دوسیالی در شبیه‌سازی جریان‌های دوفازی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساری

2 استادیار گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساری

چکیده

در مطالعه حاضر جریان‌ سیال دو فازی جدا از هم مایع-گاز با بهره‌گیری از مدل دوسیالی شبیه‌سازی و محدوده‌ی خوش‌رفتاری معادلات مورد سنجش و ارزیابی قرار گرفته و معادلات حاکم با استفاده از تکنیک تسخیر شاک حل گردیده است. مزیت این روش نسبت به روش‌های متداولِ پیشین، امکان پیش‌بینی مکان هندسی نقاط فصل مشترک دو فاز بدون مدل‌سازی آن می‌باشد و فصل مشترک بصورت مستقیم از حل معادلات بقای حاکم بر جریان دوفازی بدست می آید. بدست آوردن محدوده‌ی خوش‌رفتاری مدل‌ بعنوان نوآوری دیگر از نتایج این مطالعه می‌باشد. مساله واتر فاست که یکی از مسائل معروف و بنیادی در مکانیک سیالات دو فازی می‌باشد پیاده‌سازی و نتایج آن با روش تحلیلی اعتبار سنجی و نقاط قوت و ضعف آن بعنوان نتایج مطالعه ارائه گردیده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Hyperbolic analysis to determine the well-posedness range of two-fluid model in two-phase flow simulation

نویسندگان [English]

  • iman abbaspour 1
  • Vahid Shokri 2
1 .
2 Department of Mechanical Engineering, Sari Branch, Islamic Azad University, Sari, Iran
چکیده [English]

In this research, a numerical study is conducted to simulate a separated two-phase flow of gas-liquid with the conservative two-fluid model. Also, the stability district of equations was investigated. The governing equations solved by the shock-capturing method. This technique can provide predicting the interface without using the flow field solving and the interface is obtained from the solution of the two-phase flow’s governing equations. Obtaining the well-posed criteria of the model as one of the results of this study is another novelty of this paper. Water faucet problem which is a famous and basic case study in fluid dynamics is implemented and results are compared to the analytical solution and finally, the strengths and weaknesses of the simulation are provided.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Two-phase flow
  • Two-fluid model
  • numerical simulation
  • hyperbolic analysis
  • well-posedness
[1] Strubelj, L., and Tiselj, I., “Numerical Simulations of Basic Interfacial Instabilities with Incompressible Two-fluid Model”, Nuclear Engineering and Design, Vol. 241, pp. 1018-1023, (2011) .
 
[2] Omgba-Essama, C., “Numerical Modelling of Transient Gas-liquid Flows (Application to Stratified & Slug Flow Regimes)”, Ph.D. Thesis, Department of Applied Mathematics and Computing Group, Cranfield University, Cranfield, (2011) .
 
[3] Ove Bratland, “Pipe Flow 2: Multi-phase Flow Assurance”, ISBN 978-616-335-926-1,(2013).
 
[4] Martin Lopez de Bertodano,William Fullmer, Alejandro Clausse, Victor H. Ransom, “Two-Fluid Model Stability Simulation and Chaos”, ISBN 978-3-319-44967-8,(2017).
 
[5] Ansari, M., and Shokri, V., “Numerical Modeling of Slug Flow Initiation in a Horizontal Channels using a Two-fluid Model”, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 32, pp. 145-155, (2011).
 
[6] Ishii, M., and Mishima, K., “Two-fluid Model and Hydrodynamic Constitutive Relations”, Nuclear Engineering and Design, Vol. 82, pp. 107-126, (1984).
 
[7] Ransom, V. H., and Hicks, D. L., “Hyperbolic Two-pressure Models for Two-phase Flow”, Journal of Computational Physics, Vol. 53, pp. 124-151, (1984).
 
[8] Saurel, R., and Abgrall, R., “A Multiphase Godunov Method for Compressible Multifluid and Multiphase Flows”, Journal of Computational Physics, Vol. 150, pp. 425-467, (1999).
 
[9] Evje, S., and Flåtten, T., “Hybrid Flux-splitting Schemes for a Common Two-fluid Model”, Journal of Computational Physics, Vol. 192, pp. 175-210, (2003).
 
[10] عباسپور.ا، شکری.و، اسماعیلی.ک، "مقایسه روش‌های تعدیل فشار برای مدل دوسیالی دو فشار در مدل‌سازی عددی جریان‌های دوفازی گاز-مایع"، هفدهمین کنفرانس دینامیک شاره‌‌ها،(1396).
 
[11] Paillere, H., Corre, C., and Cascales, J. G., “On the Extension of the AUSM+ Scheme to Compressible Two-fluid Models”, Computers and Fluids, Vol. 32, pp. 891-916, (2003).
 
[12] Cortes, J., Debussche, A., and Toumi, I., “A Density Perturbation Method to Study the Eigenstructure of Two-phase Flow Equation Systems”, Journal of Computational Physics, Vol. 147, pp. 463-484, (1998).
 
[13] Watson, M., “Non-linear Waves in Pipeline Two-phase Flows”,  Proceeding 3rd International Conference on Hyperbolic Problems, Sweden, pp. 11-15, (1990).
 
[14] Montini, M., “Closure Relations of the One-dimensional Two-fluid Model for the Simulation of Slug Flows”, Ph.D. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Imperial College London, London, (2011).
 
[15] Taitel, Y., and Dukler, A., “A Model for Predicting Flow Regime Transitions in Horizontal and Near Horizontal Gas‐liquid Flow”, AIChE Journal, Vol. 22, pp. 47-55, (1976).
 
[16] Hadamard, J., “Sur les Problèmes aux Dérivées Partielles et Leur Signification Physique”. Princeton University Bulletin, 13, 49-52, (1902).
 
[17] Richard H. Pletcher, Dale A. Anderson, John C. Tannehill, “Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer”,
ISBN 1466578300, (2016).
 
[18] Cheng L, Drew D, Lahey Jr R. “An analysis of wave propagation in bubbly two-component, two-phase flow”. Journal of heat transfer, Vol 107 pp. 402-8, (1985).
 
[19] Ali H. Nayfeh , ”Introduction to Perturbation Techniques” , John Wiley & Sons , ISBN 3527618457 , (2011).
 
[20] Ansari, M.R., Shokri, V., “New Algorithm for the Numerical Simulation of Two phase Stratified Gas–Liquid Flow and Its Application for Analyzing the Kelvin-Helmholtz Instability Criterion with Respect to Wavelength Effect”,
Nuclear Engineering and Design, Vol. 273, pp. 2302–2310, (2007).
 
[21] Toro, E.F, "Riemann Solvers and Numerical Methods for Fluid Dynamics: A Practical Introduction", 3rd Edition,Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Berlin, ISBN 3540498346, (2009).
 
[22] Ransom, V., "Numerical Benchmark Test No. 2.3: Expulsion of Steam by Sub-cooled Water", Multiphase Science and Technology, Vol. 3, pp. 1-4, (1987).
 
[23] Trapp JA, Riemke RA. “A nearly-implicit hydrodynamic numerical scheme for two-phase flows”, Journal of Computational Physics.Vol 66 pp. 62-82,( 1986).