توسعة یک الگوریتم تعقیب سطح فاصل برای شبیه‌سازی عددی جریان دوفازی لایه‌ای به روش حجم محدود فشارمبنا

Abstract

جریان‌های دوفازی و چندفازی از انواع پرکاربرد جریان‌ها در علوم مهندسی سیالات محسوب می‌شوند. از جمله مسائل کاربردی در این زمینه، جریان دوفازی لایه‌ای است که در اثر قرارگیری دو سیال غیرقابل اختلاط در مجاورت هم ایجاد می‌شود. در این نوع از جریان، خواص سیال می‌تواند به‌طور ناگهانی در سطح فاصل یا جداکنندة دو سیال تغییر کند. از جمله چالش‌های مهم در شبیه‌سازی عددی جریان دوفازی لایه‌ای تعیین دقیق موقعیت سطح فاصل است. پژوهش حاضر توسعة یک الگوریتم تعقیب سطح فاصل بر مبنای رهیافت اویلری - لاگرانژی اختیاری به روش مرکزسلول و فشارمبنا با حلگر کوپل را ارائه می‌دهد. برای بررسی صحت عملکرد این الگوریتم، حل تحلیلی جریان دوفازی لایه‌ای تحت تأثیر نیروی گرانش استخراج و سپس نتایج شبیه‌سازی عددی این جریان در حالات گوناگون با حل تحلیلی مقایسه شده است. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان از دقت بسیار خوب نتایج، با وجود استفاده از شبکه‌ای نسبتاً درشت و یکنواخت، دارد. تغییرات زمانی موقعیت سطح فاصل تا رسیدن به حالت پایا نشان می‌دهد که هرچه اختلاف خواص دو سیال (به‌ویژه لزجت) بیشتر باشد، امواج پیش‌روندة حاصل از برخورد دو سیال نیز بزرگتر می‌شود. بررسی اثر نیروی گرانش نیز نشان می‌دهد که نیروی گرانش مثبت سبب کاهش ضخامت سیال سنگین‌تر و نیروی گرانش منفی موجب افزایش آن نسبت به حالت نیروی گرانش صفر می‌شود. البته میزان تغییر ضخامت در نیروی گرانش مثبت بسیار بیشتر از نیروی گرانش منفی است.