شبیه سازی وقوع پدیده کاویتاسیون در سیالات تبریدی به روش شبکه بولتزمن

در این مطالعه، پدیده کاویتاسیون در سیالات تبریدی به روش شبکه بولتزمن چندفازی شبیه سازی و مطالعه شده است. جهت مدل سازی جدایش فاز بخار از فاز مایع و اندرکنش بین دو فاز از مدل توسعه‌یافته شان-چن استفاده ‌شده است. از آنجا که نسبت چگالی بین فاز مایع و بخار آن در سیالات تبریدی بالا است، روش شبکه بولتزمن چندفازی با معادله حالت شان-چن برای شبیه سازی پدیده کاویتاسیون در این سیالات دچار ناپایداری عددی می شود. در این تحقیق، جهت اطمینان از پایداری حل عددی در نسبت های چگالی بالا و امکان شبیه سازی کاویتاسیون سیالات تبریدی در گستره وسیعی از دماهای مختلف، از معادله حالت peng-robinson استفاده شده است. کارآیی و توانمندی الگوریتم توسعه داده‌شده با شبیه سازی وقوع پدیده کاویتاسیون در دو سیال تبریدی هیدروژن و نیتروژن به‌صورت همگن و ناهمگن مورد بررسی و ارزیابی قرارگرفته است. در حالت کاویتاسیون همگن، اعمال شرایط مرزی از کناره‌های میدان حل به‌صورت خلاف جهت سبب کاهش فشار در مرکز میدان شده و در نتیجه، مقدار فشار در آن نقاط به بخار اشباع سیال می رسد. این افت فشار به نوبه خود سبب تبخیر سیال تبریدی شده و ناحیه حباب کاویتاسیون به‌صورت فاز بخار مشاهده می شود. برای مطالعه کاویتاسیون غیرهمگن، میدان حل شامل مایع تبریدی و یک حباب شامل بخار آن مایع در وسط میدان حل در نظر گرفته‌ شده است. با اعمال شرایط مرزی سرعت خلاف جهت هم در مرزهای میدان، مشاهده می‌شود که اگر شعاع حباب کاویتاسیونی بیش از مقدار بحرانی باشد، با وقوع کاویتاسیون شعاع حباب افزایش می یابد. با کاهش شعاع حباب به مقداری کمتر از شعاع بحرانی، حباب کاویتاسیونی مضمحل شده و شعاع آن با تبدیل فاز بخار به فاز مایع کاهش می یابد. جهت ارزیابی صحت نتایج به دست آمده در این مطالعه، قانون لاپلاس برای یک حباب در حالت تعادل با مایع اطراف آن آزموده شده و پدیده جدایش فازها در سیالات هم‌دما با نتایج موجود مقایسه و ارزیابی‌شده است. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که با اعمال معادله حالت peng-robinson، علاوه بر دستیابی به نسبت چگالی‌های بالا و کاهش جریان‌های غیرفیزیکی ناشی از اندرکنش بین دو فاز در فصل مشترک آنها، با استفاده از ضرایب ترمودینامیکی موجود در این معادله حالت، قابلیت شبیه‌سازی پدیده کاویتاسیون در سیالات واقعی و انطباق نسبت‌های چگالی در دماهای مختلف برای سیالات تبریدی با حل تحلیلی حاصل از تئوری ماکسول وجود دارد.