عنوان پایان‌نامه
شبیه سازی سه بعدی تغییر فاز حرارتی در جریان دو فازی با استفاده از روش لتیس بولتزمن
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 2966;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 69124
- تاریخ دفاع
- ۲۲ دی ۱۳۹۳
- دانشجو
- محسن فرهادزاده
- استاد راهنما
- محمدحسن رحیمیان
- چکیده
- در پژوهش حاضر، تغییر فاز برای دو حالت مختلف شامل تغییر فاز در دمای اشباع و تغییر فاز در دماهای کمتر از اشباع به صورت سه بعدی و با استفاده از روش لتیس بولتزمن شبیه سازی شده است. در این شبیه سازی هر یک از فازهای مایع و گاز، تراکم ناپذیر فرض می شوند و از معادله کلاسیک جابه جایی کان هیلیارد اصلاح شده برای لحاظ کردن اثر تغییر فاز در ناحیه سطح مشترک بهره گرفته می شود. در دمای اشباع تغییر فاز به وسیله گرادیان دما در سطح مشترک کنترل می شود و در دماهای کمتر از اشباع، گرادیان غلظت بخار در سطح مشترک نیروی راننده و عامل تغییر فاز می باشد. بنابراین علاوه بر میدان جریان دو فازی، باید میدان دما و میدان کسر جرمی بخار نیز تحلیل گردد. برای حل میدان دما و کسر جرمی بخار از روش کلاسیک تفاضل محدود بهره گرفته می شود، چرا که در شبیه سازی نرخهای بالای تبخیر روش تفاضل محدود برای حل میدان دما و کسر جرمی بخار، نتایج دقیق تری نسبت به روش بولتزمن شبکه ای ارائه می دهد. مقایسه نتایج عددی با حل های تحلیلی و نتایج تجربی، سازگاری و اعتبار روش را در حالات مختلف اعم از تبخیر قطره در دمای اشباع، رشد حباب در سیال مافوق گرم(پدیده جوشش) و تبخیر قطره در دماهای کمتر از اشباع را تائید می کند. با توجه به شبیه سازی در حالت سه بعدی و مواجهه با حجم عظیمی از محاسبات، استفاده از پردازش موازی در این پژوهش امری اجتناب ناپذیر می باشد. برای پردازش موازی از دو کتابخانه ی MPI و OpenMP بهره گرفته شده است. موازی سازی به دو صورت تقسیم دامین محاسباتی و تقسیم حجم محاسباتی توابع صورت گرفته است، OpenMP در حالتی که تعداد پردازشگرها بیشتر از 8 می باشد عملکرد بهتری را ثبت رسانده است، از دلایل آن می توان به نیاز به تبادل اطلاعات بیشتر و در نتیجه کاهش سرعت در موازی سازی به کمک MPI بدلیل ساختار گسسته حافظه می باشد.
- Abstract
- In the present thesis, three dimensional simulation of phase change at two different conditions, including fluid flow at saturated temperature and below the boiling temperature, based on the multiphase Lattice Boltzmann framework is presented. The D3Q27 lattice structure is used for these simulations. Both liquid and vapor phases are assumed to be incompressible, and the modified convective Cahn-Hilliard equation is employed to take into account phase change effects within the interface region. In phase change at saturated temperature, driving force for phase change is assumed to be controlled via temperature gradient at interface, and at temperatures below the boiling temperature, the gradient of the vapor mass fraction at the liquid-vapor interface leads to phase change. In the second case, beside the two phase flow field, the temperature and vapor mass fraction transport equations need to be solved. These equations are solved using a finite difference scheme which is more accurate than passive scalar lattice Boltzmann solver. Our simulation is validated against the experimental results and the analytical solutions, numerous validation tests including droplet evaporation at saturated temperature, bubble growth in superheated liquid (boiling phenomena) and droplet evaporation at arbitrary temperatures below boiling temperature are carried out to demonstrate the consistency of the presented model.
