computational fluid dynamics
در نشریات گروه مهندسی شیمی، نفت و پلیمر-
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) از جمله روش هایی است که در آن کارایی سیالات از راه های گوناگون مورد بررسی قرار می گیرد ; برای این سیالات معادلاتی در نظر گرفته می شود که ویژه آن سیال و یک فازی ، دو فازی و چند فازی بودن آن است . از جمله معادلاتی که در این روش ها بکار می رود نیروی پسا است که ضریب پسا را به همراه دارد ; ضریب پسایی که در اینجا بکار برده می شود ،برای سیستم های گاز مایع است ، سیستم هایی که در آن حباب گاز و مایع که معمولا آب است ،در سطح جدایشی با هم تماس دارند و لغزشی در این سطح به بار می آید که نیروی پسا را به دنبال دارد . از جمله مختصاتی که برای محاسبات به کار گرفته می شود ، اویلر–اویلری ، اویلر - لاگرانژی و . . . است که مختصات مورد بررسی ما اویلر–اویلری است . معادلاتی که در کاوش های گوناگون CFD به کار برده شده است برای سیالات نیوتنی است که معمولا برای سینی های غربالی و . . . بکار برده شده است . در این پژوهش مروری می کنیم بر ضرائب پسایی که در این چارچوب و در طی سالیان دور توسط پژوهشگران بدست آمده اند .
کلید واژگان: دینامیک سیالات محاسباتی، ضریب پسا، نیروی پسا، جریان های دو فازی گاز مایع، سیالات نیوتنیComputational fluid dynamics (CFD) is one of the methods in which the efficiency of fluids is examined in various ways; For these fluids, equations are considered that are specific to the fluid and its single-phase, biphasic and multi-phase. One of the equations used in these methods is the drag force which has a drag coefficient; The drag coefficient used here is for liquefied gas systems, systems in which the gas bubble and the liquid, which is usually water, come into contact at the separation surface and a slip occurs at this level, which is the drag force. To follow. Among the coordinates used for calculations, Euler-Euler, Euler-Lagrange and etc. The coordinates we are considering are Euler-Eulerian. The equations used in various CFD probes are for Newtonian fluids, usually for sieve trays and etcUsed. In this study, we review the drag coefficients that have been obtained by researchers in this framework over the years.
Keywords: Computational Fluid Dynamics, Dragcoefficient, Drag Force, Two-Phaseliquid Gas Flows, Newtonian Fluids -
The accurate simulation of lithium-ion batteries is crucial for optimizing their performance, increasing their lifespan, and mitigating environmental concerns, as they play a vital role in powering electric vehicles, renewable energy systems, and portable electronics. This research presents a novel computational technique for simulating the internal processes of lithium-ion batteries, focusing on the electrochemical equilibrium and dynamics of these batteries. By leveraging the electrochemical method and simplifying complex differential equations through logical assumptions, the study develops a versatile tool for predicting the temporal and spatial distribution of electrode concentration, potential, and electrolyte dynamics in one dimension. The computational approach, executed in a C++ programming environment using computational fluid dynamics and the finite volume method, enables the simulation of diverse lithium-ion batteries.The research addresses the challenges posed by these batteries, including the quest for increased energy and power density, effective heat management, and control and monitoring complexities. By providing valuable insights into optimizing battery performance, this study contributes to the development of sustainable energy storage solutions.The proposed approach has the potential to shape a sustainable energy narrative, particularly in the context of all-electric and hybrid vehicles, and mitigating environmental concerns.Keywords: Li--Ion Batteries, Electrochemical Simulation, Computational Fluid Dynamics, Sustainable Energy Storage
-
This study presents a computational fluid dynamics (CFD) simulation of two-phase flow patterns in a Y-shaped microfluidic device. The two-phase flow of water and n-butyl acetate is simulated using the volume of fluid (VOF) method in a Y-shaped microfluidic device with different flow rates. A 2D model was used for simulation, and the results were compared to experimental data, showing good consistency. The study also examined the effects of organic (n-butyl acetate) and flow on the overall flow model. The authors observe three different flow patterns, including slug flow, parallel flow, and droplet flow, depending on the flow rate. The results indicate that a slug flow pattern is detected when the flow rates of the aqueous and organic phases are both low and similar. Nonetheless, as the overall flow rate rises, the slug flow pattern shifts to either parallel droplet or plug flow. Similarly, when the flow rate of the aqueous phase is increased while keeping the organic phase flow rate constant, the shift occurs from slug flow to droplet flow. Therefore, this study is significant in providing insights into the different flow regimes that can occur in a microfluidic system. This understanding can be used to design and optimize microfluidic devices for a variety of applications.
Keywords: Computational Fluid Dynamics, Flow Pattern, Liquid-Liquid Extraction, Micro Fluidic Device, Y-Shaped Micro-Channel -
در این پژوهش، فرآیند نمک زدایی با روش تقطیر غشایی تماس مستقیم در پیکربندی صفحه تخت با غشایی از جنس پلی تترافلورواتیلن (PTFE) به روش دینامیک سیالات محاسباتی، با حل همزمان معادلات دیفرانسیلی انتقال ممنتوم، حرارت و جرم، مدل سازی شده است. در ناحیه غشاء از اثرات جابجایی حرارتی صرف نظر شده و از معادلات تجربی برای انتقال جرم بهره برداری شده است. در نهایت نتایج شبیه سازی با داده های تجربی موجود اعتبارسنجی گردید. بررسی ها نشان می دهد با افزایش دمای آب شور خوراک ورودی به تجهیز از 42 به 78 درجه سانتی گراد، نرخ تولید آب شیرین از L.m-2.hr-1 3.59 به L.m-2.hr-1 18.64 افزایش می یابد. همچنین تحقیق حاضر نشان می دهد که شار فرآیند تقطیر، با سرعت جریان ها و تخلخل غشاء، رابطه مستقیم، اما با غلظت نمک خوراک ورودی، دمای ورودی جریان نفوذ، ضخامت غشاء، پیچ و خم منافذ غشاء و ضریب انتقال حرارت هدایتی غشاء، رابطه عکس دارد.
کلید واژگان: نمک زدایی آب، تقطیر غشایی تماس مستقیم، شبیه سازی، دینامیک سیالات محاسباتیIn this research, the desalination process has been solved by the direct contact membrane distillation process in the flatThis research models the desalination process using a direct contact membrane distillation method in a flat plate configuration with a PTFE membrane. The model employs computational fluid dynamics to solve the differential equations for momentum, heat, and mass transfer. Convective heat transfer in the membrane region is neglected, and mass transfer is described by empirical equations. The simulation results were then validated against available experimental data. Increasing the feed saltwater temperature from 42°C to 78°C led to a significant rise in permeate flux, from 3.59 L.m-2.hr-1 to 18.64 L.m-2.hr-1. The results demonstrates that the distillation flux is directly proportional to the stream velocities and membrane porosity, but inversely proportional to the feed salt concentration, permeate inlet temperature, membrane thickness, pore tortuosity, and membrane conductive heat transfer coefficient.
Keywords: Water Desalination, Direct Contact Membrane Distillation, Simulation, Computational Fluid Dynamics -
An airlift reactor with the external loop (EXL ALFR) is a widely used modified version of a Bubble Column Reactor (BCR). An EXL ALFR can also be used for a three-phase system with the solid phase in a packed or fluidized form. An EXL ALFR provides design flexibility for conventional chemical reactions as well as biological reactions. Shear is an important factor for the reactors handling immobilized enzymes. In the current investigation, the effect of the design variables, like gas hold-up, the velocity of circulating liquid, and the distribution of bubble dimension, was compared for an EXL ALFR and an external loop airlift reactor with a packed bed (EXL ALFR-PB). Particle Image Velocimetry (PIV) was employed for the liquid axial velocity in the downcomer of the reactors, and the computational fluid dynamic with the Population Balance Model (CFD-PBM) was employed. The minimum percentage of errors of 2.3% and 1.2% and the maximum of 4.2% and 3.4% were obtained for the experimental and predicted values of gas hold-up in the EXL ALFR and EXL ALFR-PB, respectively. For the velocity of the circulating liquid, the predicted and experimental values of their minimum percentage error were 1.1% and 0.5% and a maximum of 4.3% and 4.5% in EXL ALFR and EXL ALFR-PB, respectively. Also, the pressure drops calculated from the Ergun equation and CFD simulation had a 0 to 4% difference, indicating good agreement.Keywords: Computational Fluid Dynamics, External Loop Airlift Reactor, Fixed Bed, Population Balance Model, Shear Sensitivity
-
The effectiveness of nitrate removal was assessed in a 9.5 L packed bed column bioreactor through the evaluation of various feeding strategies and initial concentrations. The bioreactor was filled with zeolite mineral particles and initially treated with Thiobacillus denitrificans. Multiple hydraulic retention times were investigated to determine the efficiency of nitrate removal. The results demonstrate that the designed bioreactor is capable of achieving an 87% reduction in nitrate levels within a three-hour timeframe. This indicates that the bioreactor system can effectively remove nitrate ions from water, even when the initial nitrate content is as high as 400 mg/L, which exceeds the standard limit of 45 mg/L. The computational fluid dynamics (CFD) model yielded satisfactory results, confirming the effectiveness of the bioreactor design. It revealed that the optimal length of the bioreactor is suitable for influents containing 400 mg/L of nitrate. However, for influents with lower nitrate concentrations or when employing lower hydraulic retention times (HRTs), the bioreactor can be constructed with shorter heights. This CFD model can serve as a valuable tool for future studies, particularly in scaling up the bioreactor system.
Keywords: Column Bioreactor, Computational Fluid Dynamics, Denitrification, Modified Zeolite -
طراحی بهینه مبدل های حرارتی به منظور کاهش مصرف انرژی در صنایع بسیار حائز اهمیت است. یکی از انواع مبدل ها، مبدل حرارتی لوله مارپیچ است که باتوجه به برتری های آن نسبت به انواع دیگر مبدل ها امروزه بسیار استفاده می شود. در مکان هایی با کمبود فضا، استفاده از مبدل های حرارتی مارپیچ کاربرد زیادی دارد؛ بنابراین مطالعه این نوع مبدل می تواند یکی از موضوعات جالب توجه باشد. در این تحقیق لوله های مارپیچ مخروطی با سطح مقطع های دایره ای، بیضوی و مربعی و با زاویه های مخروطی 10، 30 و 50 درجه و طول گام های 15، 30 و 45 میلی متر به منظور بررسی عملکرد حرارتی-هیدرودینامیکی با شگرد دینامیک سیالات محاسباتی مدل سازی شدند. داده های مربوط به عدد ناسلت و ضریب اصطکاک برای هر سه شکل هندسی مقایسه، تحلیل و بررسی شد. نتایج نشان داد که در بین هندسه های مختلف، مقطع بیضوی به صورت میانگین در تمام محدوده های عدد رینولدز در زاویه های مختلف به ترتیب 33/34 و 38/0 درصد از هندسه با سطح مقطع مربعی و دایره ای عملکرد انتقال حرارت بهتری دارد. هم چنین به سبب تغییر ضخامت لایه مرزی مقدار عدد ناسلت و ضریب اصطکاک برای هندسه با مقطع مربعی دارای مقادیر کمتری است.کلید واژگان: مبدل حرارتی، لوله مارپیچ مخروطی، دینامیک سیالات محاسباتی، عدد ناسلت، سطح مقطع، زاویه مخروطIt is significant to determine the optimal dimensions of the heat exchangers to reduce energy consumption. The helical tube heat exchanger is widely used in industry due to its advantages over other types. Therefore, investigating this type of heat exchanger can be an interesting topic. In this research, conical coil tubes with circular, elliptical, and square cross-sections with 10, 30, and 50° cone angles and 15, 30, and 45 mm pitch were modeled by computational fluid dynamics to evaluate the thermal-hydrodynamic performance. The data relating to the Nusselt number and friction factor for all investigated geometric shapes were compared and analyzed. The results showed that the elliptical cross-section tubes have better heat transfer performance compared to other geometries. The results showed that the elliptical cross-section has a better heat transfer performance compared to the square and circular cross-sections by 34.33% and 0.38%, respectively. Moreover, the lower values of the Nusselt number and the friction factor were obtained for the square cross-section due to the change in the thickness of the boundary layer.Keywords: heat exchanger, Conical spiral tubes, Computational Fluid Dynamics, Nusselt Number, Cross section, Cone angle
-
(1) The treatment of hydrocephalus is the use of cerebrospinal shunts. These shunts are made up of different parts. One of the most important parts of these shunts is their catheter, which is placed inside the ventricle of the brain in order to drain cerebrospinal fluid. One of the most important problems of ventricular catheters is their clogging, which causes shunt replacement in 50-80% cases. Although many factors affect this congestion, one of the most important of them is the flow inside the ventricles of the brain with hydrocephalus; (2)MethodsThe works of many researchers have mentioned the problem of flow inside the catheters, for this purpose two-dimensional simulation has been used. In this research, the two-dimensional image obtained through MRI has been used in the simulation in order to influence the real shape of the ventricles of the brain in the occlusion of the ventricular catheters; (3)ResultsAccording to the investigations, the cause of clogging of most common catheters is the problem in the morphology and the way their holes are located; (4)ConclusionsA new design of catheters by changing the diameter and slope of the holes has been presented. It was found that conventional catheters are very susceptible to being closed by dead cells or cerebral ventricular tissue. Four types of catheters were examined, types 3 and 4 showed better performance with 50% and types 5 and 6 with 100% reduction in the probability of catheter hole closure.Keywords: Catheter, Cerebrospinal Fluid, Computational Fluid Dynamics, Hydrocephalus, MRI Image, Shunt
-
کادمیوم یکی از مضر ترین فلزات سنگین است و به دلیل ماندگاری بالا در آب های زیر زمینی، به نگرانی فزایندهای در طی دهه های گذشته تبدیل شده است. هدف از انجام این پژوهش آنالیز و بررسی جذب سطحی کادمیوم II توسط جاذب طبیعی لوفا سیلیندریکا به روش دینامیک سیالات محاسباتی است. بعد از اعتبارسنجی نتایج آزمایشگاهی و شبیه سازی، اثر پارامترهای طول و تخلخل بستر بر میزان جذب مورد بررسی قرار گرفت. همچنین تاثیر دبی سیال، غلظت ورودی کادمیوم ll، طول و تخلخل بستر توسط روش طراحی آزمایش مطالعه شد. در نهایت، پس از بهینه سازی توسط روش طراحی آزمایش، غلظت ورودی 50 میلی گرم بر لیتر، دبی 612/10 میلی لیتر بر دقیقه، تخلخل بستر 66/0و طول بستر 51/14 سانتیمتر به عنوان شرایط بهینه انتخاب شد که بیشترین مقدار یون کادمیوم جذب شده در این شرایط برابر 05/122 میلی گرم و بیشترین ظرفیت تعادلی جذب برابر 21/20 میلی گرم بر گرم بدست آمد. مطالعات نشان داد که افزایش جریان دبی سیال و تخلخل منجر به کاهش میزان جذب و در مقابل، افزایش غلظت و طول بستر منجر به افزایش میزان جذب می شود.کلید واژگان: دینامیک سیالات محاسباتی، شبیه سازی جذب سطحی، طراحی آزمایش، فلزات سنگین، لوفا سیلیندریکاCadmium (II) is one of the most harmful heavy metal ions and its persistency in groundwater has been an increasing issue for decades. This study aims to evaluate the adsorption of Cd (II) by natural Luffa Cylindrica adsorbent using a computational fluid dynamics approach (CFD). After validation of the numerical results with the experimental data, the impact of bed length and porosity parameters on the adsorption rate was investigated. Furthermore, the impact of fluid flowrate, initial cadmium (II) concentration, bed length, and bed porosity was investigated using experimental design. Based on the optimization method, the optimum conditions were found to be initial concentration, 50 mg/L; flow rate, 10.612 mL/min; bed porosity, 0.66; and bed length, 14.51 cm. The maximum amount of cadmium ions adsorbed was 122.05 mg, and the maximum equilibrium adsorption capacity was 20.21 mg/g. The study showed that the increase in fluid flow rate and porosity led to a decrease in the amount of adsorption, while an increase in the initial concentration and length of the bed resulted in an increase in the amount of adsorption.Keywords: Computational fluid dynamics, simulation of adsorption, design of experiments, heavy metal ions, Luffa Cylindrica
-
پلی اتیلن سبک بسپاری از خانواده پلی اتیلن هاست که به طور عمده در صنعت پلاستیک کاربرد دارد؛ این بسپارها در فشارها و دماهای بالا با استفاده از واکنش رادیکالی تشکیل می شوند. پدیده رسوب گرفتگی ناشی از جداسازی فاز ترمودینامیکی بسپار و اتیلن است که این جداسازی فاز در منطقه دیواره رآکتور لوله ای (نزدیک به جریان خنک کننده) رخ می دهد. رسوب گرفتگی باعث کاهش انتقال حرارت به سیال درون ژاکت رآکتور و موجب کاهش تولید و در موارد بحرانی باعث تجزیه خطرناک اتیلن می شود. هدف این پژوهش شبیه سازی پدیده رسوب و تاثیرهای آن بر روی دما و فشار خروجی رآکتور بر پایه مسایل انتقال حرارت است. مدل ریاضی حل شده بر اساس معادلات انتقال حرارت شکل گرفته و برای محاسبه داده های تعادل فازی با توجه به فشار و دما از معادلات حالت SRK استفاده شده است. در پایان با بهره گیری از شگرد دینامیک سیالات محاسباتی، داده های به دست آمده حل و شبیه سازی شد. نتایج به دست آمده بیانگر نحوه تاثیر مشخصات رسوب ایجادشده بر روی عملکرد حرارتی رآکتور است. مدل انجام شده در شرایط عملیاتی برای پلی اتیلن سبک با درجه H 2420 تحت لیسانس شرکت بازل انجام شده است. بر اساس نتایج مدل سازی مشخص شد که با افزایش ضخامت رسوب از 1/0 تا 2/1 میلی متر، دمای خروجی رآکتور افزایش پیدا می کند؛ اما تاثیر چشمگیری بر میزان افت فشار درون رآکتور ندارد. هم چنین افزایش 10 درجه ای دمای واکنش باعث شد که درصد حجمی فاز دوم (رسوب) از 0.1833 به 0.1818 میلی متر کاهش داده شود.کلید واژگان: پلی اتیلن سبک، پدیده رسوب گرفتگی، دینامیک سیالات محاسباتی، جریان خنک کننده، درصد حجمیLow-density polyethylene is a subset of polyethylene that is mainly used in the plastics industry. These polymers are formed at high pressures and temperatures using a radical reaction. The fouling phenomenon is the result of the thermodynamic phase separation of polymer and ethylene. This phase separation occurs in the wall area (wall close to the cooling flow) of the tubular reactor, which reduces heat transfer to the reactor jacket, reducing production and in critical cases dangerous decomposition of ethylene. The purpose of this study is to simulate the phenomenon of fouling and its effects on the temperature and pressure of the reactor based on the heat transfer problems. The solved mathematical model is formed based on heat transfer equations to solve the computational fluid dynamics equations which are used to calculate the phase equilibrium data for pressure and temperature: The obtained results show that by increasing the thickness of the fouling, the heat transfer rate decreases. The operating model was used based on thelow-density polyethylene with a grade of 2420H. Based on the model, it was found that with increasing the thickness of fouling from 0.1 to 1.2 mm, the outlet temperature of the reactor increases, but does not have a significant effect on the pressure drop inside the reactor: Moreover,10 °C increase in reaction temperature caused the volume percentage of the second phase (fouling) is reduced from 0.1833 to 0.1818 mm.Keywords: Low density polyethylene, Fouling, Computational Fluid Dynamics, Cooling flow
-
تقریبا بیست و پنج درصد زمان انتظار ناخواسته در دکل های حفاری ناشی از زمان های صرف شده برای تمیزکاری چاه است. با فراگیری سیستم های کامپیوتری قدرتمند فرآیندهای شبیه سازی عملیات تمیزکاری چاه و تهیه مدل از چاه های عملیاتی رو به گسترش بوده و این عمل ضمن افزایش دقت و بهره وری برای اجرا در میادین عملیاتی، از صرف زمان و هزینه های بسیاری جلوگیری می نماید. در پژوهش حاضر تلاش شده تا با استفاد از دینامیک سیالات محاسباتی مدلی بر پایه آزمایش های تجربی انجام پذیرفته در حلقه جریان آزمایشگاه حفاری، طراحی و صحت سنجی گردد و با بررسی مدل حاضر با تعدادی مدل مشابه و نتایج آزمایشگاهی، بتوان مش بهینه و اثر آن بر افزایش دقت نتایج و همچنین بازدهی و سرعت شبیه سازی را مطالعه نمود. همچنین با مقایسه مدل تجربی جدید و مدل پیشین بهبودهای فیزیکی برای شبیه سازی محیط درون چاهی مانند افزودن نازل و سرمته و جایگیری خروجی جریان مشاهده و یک مدل CFD طراحی شده بر اساس مدل تجربی قدیمی نیز با این مدل CFD بهینه و طراحی شده برمبنای مدل تجربی جدید مقایسه شده و با بررسی دقت و زمان اجرای هر یک، مش بهینه انتخاب گردد.
کلید واژگان: حمل کنده حفاری، تمیزکاری چاه، مکانیک سیالات دوفازی، دینامیک سیالات محاسباتی، استقلال از مشThe first and most important task of drilling fluid is to help clean the borehole and transport drilling cuttings to the surface. In addition, approximately twenty-five percent of unwanted waiting time on drilling rigs is due to time spent on well cleaning. With the acquisition of powerful computer systems, the processes of simulating well-cleaning operations and preparing models of operational wells are expanding, and this practice, while increasing accuracy and productivity for implementation in operational fields, avoids spending a lot of time and money. In the present research, an attempt has been made to design and validate a model based on experimental tests conducted in the flow loop of the drilling laboratory by using computational fluid dynamics, and by examining the current model with a number of similar CFD models and laboratory results, the optimal mesh and its effect on increasing the accuracy of the results have been studied as well as the efficiency and speed of the simulation. Also, by comparing the new experimental model and the previous experimental model, physical improvements for simulating the wellbore environment, such as adding a nozzle and bit and replacing the flow output is observed, and a CFD model designed based on the old experimental model and this optimized CFD model designed based on the new experimental model has also been compared. and by checking the accuracy and execution time of each one, the optimal mesh is selected.
Keywords: Cutting transport, Borehole cleaning, Two-phase fluid mechanics, Computational Fluid Dynamics, Mesh Independancy -
Ejectors offer a cost-effective and practical solution for recovering flare gases, thereby reducing greenhouse gases. Improving the entrainment rate of the secondary fluid can enhance ejector performance. The objective of this research is to identify the optimal ejector geometry to maximize the absorption rate of the secondary fluid. Computational fluid dynamics is used to evaluate a two-phase ejector. Geometric parameters such as throat diameter and length, nozzle diameter, and converging and diverging angles impact the absorption rate of the secondary fluid. Using a multi-objective genetic algorithm, the optimal values for each parameter are obtained. The results show that reducing the throat length and angle of the converging section, as well as nozzle diameter, leads to increased absorption. In contrast, the throat and angle of the divergent section increase absorption. Additionally, energy efficiency is investigated under basic and optimized geometries. The findings reveal that increasing the soak range does not necessarily enhance energy efficiency.
Keywords: Entrainment rate of secondary fluid, gas-liquid ejector, recovery of flare gas, geometry design, multi-objective genetic algorithm optimization, Computational Fluid Dynamics -
Inclined submerged diffusers that are used to dilute hypersaline and highly contaminated brine, discharged from desalination plants, in receiving marine waters are commonly modeled via semi-empirical, integral, and 3D Computational Fluid Dynamic (CFD) models. The first two models are computationally simple and efficient, but not enough accurate in many cases, and 3D-CFD models which show good agreement with experimental data are time-consuming. To avoid computational costs of 3D models and to present a more precise model than simple ones, a modified 2D-CFD model for stagnant and dynamic ambient is suggested in this study. The results showed that the proposed model can predict the jet behavior in both ambients more accurately than integral models and in shorter computing time than 3D models. The results of this study can be used in order to design environmentally friendly discharge systems by engineers and practitioners for brine or pollutant dilution in the receiving marine waters.
Keywords: Computational Fluid- Dynamics, Dense Discharge, Integral Models, Marine Environment, Submerged Diffusers -
Membrane bioreactors (MBRs) are high-tech systems for water recycling and reusing of unconventional water resources such as municipal wastewater. However, the fouling of polymeric membranes is the main impediment to the market development of MBR. The polyolefin-based membranes are subjected to more severe organic fouling than other hydrophilic membranes due to their inherent strong hydrophobic properties, therefore, proposing efficient, fast, and economic fouling mitigation methods is vital for durable and long-standing performance. In this research, the hydrodynamics of a lab-scale membrane bioreactor with different configurations of aerators and nozzle sizes were used to investigate the air scouring efficiency. It was gained that aerators with higher air flow rates, e.g., 5.5 m/s can produce slug bubbles which are capable of foulant removal from the membrane surface. In comparison with a non-central aerator, the satisfactory scouring zone of the central aerator is narrow and the edge nozzles on both sides of the aerator are blocked. Under constant air flow rate, when the inlet air is injected into the aerator from two and three points, not only the end nozzles are blocked but also the liquid is penetrated into the aerator and the shear stress on the membrane surface decreased to 0.765 Pa. In the case of the non-central aerator, the satisfactory scouring zone becomes wider and neither nozzle blockage nor liquid penetration down to the aerator has occurred. The distribution of bubbles was optically evaluated by video imaging through the transparent plexiglass tank using aerators with different inlet flow rates and various configurations. Numerical simulations and related experimental analyses demonstrated that air inlet velocity has an important role in creating larger slug bubbles. It was shown that a non-central aerator in which the central nozzle in front of the inlet air stream is blocked, produces slug bubbles and sufficient air scoring on the flat sheet membrane. Configuration of a non-central aerator with 4 nozzles not only increased the satisfactory zone of each aerator without blockage of edge nozzles and liquid penetration into the aerator but also provided a higher shear rate over 1.104 Pa under a constant flow rate, which consequently removed the foulant from the membrane surface.Keywords: Computational Fluid Dynamics, Aerator, Shear Stress, Satisfactory Area, Nozzle Arrangement
-
Packed towers are continuous contact systems in which unlike tray towers, the liquid phase is dispersed, and the gas phase is continuous. Packed or packed distillation towers are widely used in chemical industries. The use of such towers is preferable to tray towers, especially in vacuum distillation operations. These columns are suitable in low pressure-drop or low liquid hold up operations. In this study, the pressure drop for the air-water system was simulated, and presented by a 3D model consisting of two layers of Gempak 2A structured packings by using computational fluid dynamics. Computational Fluid Dynamics is a useful tool for scale-up, design and optimization of chemical engineering equipment for its detailed prediction of hydrodynamic characteristics. The BSL turbulence model was used for simulation. The total number of meshes were 1315200. The simulation results were compared with laboratory and existing experimental data. The simulation error of the two-phase pressure drop compared with experimental data was 16.6%. The results of prediction agree well with the experimental data indicating the suitability of the proposed method for the simulation of the hydrodynamics in structured packed columns. The results of this study can be used in the hydraulic design of packed towers containing structured packings.
Keywords: packed tower, structured packings, Two-phase pressure drop, Gas velocity, Liquid velocity, Computational Fluid Dynamics -
انتقال حرارت زیستی به دلیل قابلیت کاربرد در تشخیص و درمان بیماری، نقش مهمی در بررسی و تحلیل سیستم های زنده ایفا می کند. در سال های اخیر، دینامیک سیالات محاسباتی به دلیل عملکرد خوب سخت افزاری و نرم افزاری، به طور گسترده در پژوهش های زیست پزشکی بیماری عروق و پیشرفت گرفتگی شریان های خونی استفاده شده است که به این وسیله عوامل خطر برای پیشرفت بیماری، شناسایی و درمان می شود. هدف از این شبیه سازی بررسی جریان و انتقال حرارت خون در رگ در حالت عادی و در چندین حالت حضور پلاک با استفاده از یک مدل هندسی واقعی رگ به کمک نرم افزاری تجاری است. خون سیالی غیرنیوتنی وغیر تراکم پذیر در نظر گرفته شده و گران روی آن با معادلات کاریو مدل سازی شده است. بر خلاف بسیاری از پژوهش های مشابه پیشین، سرعت ورودی به صورت ناپایا (جریان پالسی) است و مطالعه انتقال حرارت به صورت همزمان بررسی شده، هم چنین یک مدل هندسی واقعی در درصدهای مختلف گرفتگی بررسی شده است. افزایش حجم پلاک باعث افزایش فشار و تنش برشی دیواره رگ می شود که در حالت های گرفتگی شدید بسیار پرخطر و همراه با افزایش احتمال پارگی رگ هاست. هم چنین افزایش پلاک باعث کاهش انتقال حرارت از راه خون به دیواره رگ ها می شود. نتایج نشان می دهد که تغییری بین 10 تا 70 درصد در شاخص های دینامیکی پس از گرفتگی مشاهده می شود؛ اما تغییر محسوسی در دمای خروجی ها ایجاد نخواهد شد.کلید واژگان: انتقال حرارت زیستی، دینامیک سیالات محاسباتی، شبیه سازی، رگ های خونی، پلاکBioheat transfer plays an important role in analyzing living systems due to its ability to diagnose and treat the disease. Recently, CFD has been increasingly used in biomedical researches of coronary artery disease because of its high hardware and software performance that makes it possible to identify and treat the risk factors for coronary artery disease progression. The purpose of this paper was to investigate blood flow and heat transfer in normal state and in several cases of plaque with a real geometric model of a vessel in an artery by using a commercial Software. Blood is considered as a non-Newtonian and non-compressible fluid and viscosity is modeled using Carreau equations. Unlike many previous studies, the inlet velocity is considered to be transient (pulsatile) and heat transfer has been investigated with the assumptions of constant blood inlet temperature and constant vessels wall temperature and the outlet wall heat transfer has been calculated. A real geometric model in different plaque progressions has been studied as well. Plaque progression in the artery, increases the wall pressure and shear stress, which is very dangerous in cases of severe blockage and may cause high risk of rupture. Increased plaque also reduces the blood heat transfer to the artery’s walls. The results show that there is a change between 10-70% in the dynamic parameters after clogging, but there is no significant change in the outlet temperature.Keywords: Bioheat transfer, Computational Fluid Dynamics, Simulation, Blood vessels, plaque
-
شکل پاشش یکی از مهم ترین پارامترهای تاثیرگذار بر عملکرد موتورهای احتراق داخلی است. در این مقاله، تاثیر سه نوع شکل پاشش مثلثی یعنی مثلث چپ، وسط، و راست که با پارامتر a برابر با به ترتیب 0، 5/0 و 1 متمایز می شوند، بر عملکرد موتور احتراق اشتعال تراکمی با واکنش پذیری کنترل شده بررسی و با شکل پاشش مستطیلی مقایسه شده است. با افزایش a، مقدار بازدهی ناخالص تعیین شده (GIE) و اکسیدهای نیتروژن (NOx) افزایش می یابند، در حالی که مقدار هیدروکربن های نسوخته (UHC) و مونواکسید کربن (CO) کاهش می یابد. بالاترین میزان GIE و کم ترین میزان UHC و CO مربوط به شکل پاشش مثلثی راست است که به ترتیب 9/9 درصد بیشتر و 45/27 و 51/25 درصد کمتر از شکل پاشش مستطیلی هستند، درحالی که کم ترین میزان NOx تولیدشده به وسیله شکل پاشش مثلثی چپ حاصل می شود که 15/14 درصد کم تر از شکل پاشش مستطیلی است.کلید واژگان: شکل پاشش مثلثی، موتور احتراق اشتعال تراکمی با واکنش پذیری کنترل شده، گاز طبیعی، دینامیک سیالات محاسباتیInjection rate shape has an important effect on the performance of internal combustion engines. In this study, the effect of three triangular injection rate shapes, including left triangle, middle triangle, and right triangle, which were distinguished by the parameter a equal to 0, 0.5, and 1, respectively, on the performance of a Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) engine were investigated and compared with the square injection rate shape. It was realized that by increasing, the gross indicated efficiency (GIE) and nitrogen oxides (NOx) emissions increased, while unburned hydrocarbons (UHC) and carbon monoxide (CO) emissions decreased. The highest GIE and the lowest UHC and CO emissions were obtained by the right triangle, which were 9.9% higher and 27.45% and 25.51% lower than those obtained by the square injection rate shape, while the lowest NOx emissions were obtained by the left triangle, which was 14.15% lower than that obtained by the square injection rate shape.Keywords: Triangular injection rate shape, Reactivity Controlled Compression Ignition Engine, Natural gas, Computational Fluid Dynamics
-
مجله پژوهش نفت، پیاپی 121 (بهمن و اسفند 1400)، صص 103 -115در بین فرآیندهای با بازدهی بالا جهت تولید الفین های سبک، روش تبدیل کاتالیستی متانول به الفین طی یک دهه گذشته، توسعه قابل توجهی داشته است. در این مطالعه سعی شده است تا با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و به کمک نرم افزار کامسول به بررسی فرآیند تبدیل متانول به الفین پرداخته شود. از مدل اویلرین-اویلرین برای حل جریان فاز پیوسته و پراکنده استفاده شد و روابط با استفاده از روش المان محدود حل شدند. برای فرآیند متانول به الفین، مدل سینتیکی پیشنهاد شد و پارامترهای سینتیکی توسط الگوریتم ژنتیک در نرم افزار متلب به دست آمدند. سپس مقایسه ای بین نتایج تجربی و مدل پیشنهادی برای محصولات مهم صورت گرفت که نشان از تطابق خوب بین این دو داشت و متوسط خطای نسبی برای درصد مولی اتیلن، پروپیلن و بوتن به ترتیب برابر 40/2%، 35/1% و 11/3% به دست آمد. در ادامه پس از اعتبارسنجی مدل، پارامترهای مختلفی از جمله توزیع فاز جامد درون بستر، بردارهای سرعت، اندازه ذرات، افت فشار بستر و متوسط کسر جرمی اجزاء، بر عملکرد راکتور مورد بررسی قرار گرفتند. بررسی توزیع فاز جامد درون بستر در سرعت ورودی و زمان های مختلف نشان داد که غلظت جامد درون بستر تقریبا رقیق بوده و ساختار جریان به طور کلی نسبتا همگن به نظر می رسد. علاوه برآن، بررسی اثر اندازه ذرات برروی بردارهای سرعت مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که با افزایش قطر ذرات، آشفتگی بردارهای جریان بیشتر شده و تعداد گردابه های تشکیل شده در مناطق پایینی بستر افزایش یافته است. سپس، بررسی متوسط کسر جرمی هیدروکربن های تولید شده در طول راکتور نشان داد که میزان کسر جرمی اجزاء افزایش پیدا کرده است. همچنین، میزان تبدیل متانول در خروجی راکتور به بیش از 90% رسید.کلید واژگان: راکتور بستر سیال، متانول، الفین، دینامیک سیالات محاسباتی، مدل سینتیکیPetroleum Research, Volume:31 Issue: 121, 2022, PP 103 -115Over the past decade, catalytic methanol-to-olefin conversion has been among the most highly developed processes for light olefin production. In this study, computational fluid dynamics (CFD) and COMSOL software were used to investigate the process of methanol conversion to light olefins. The Eulerian-Eulerian model was used to solve continuous and scattered phase flows. A simplified kinetic model was used for methanol conversion to olefin, including a catalyst effect, coke deposition, and the finite element method used to solve the equations. MATLAB software was used to obtain the kinetic parameters of the methanol to olefin process using a kinetic model and a genetic algorithm. A comparison was made between the experimental results and the proposed model for the main products, which showed a good agreement. For ethylene, propylene, and butene, the mean relative error was 2.40%, 1.35%, and 3.11%, respectively. Following the model validation, various parameters such as solid-phase distribution in the bed, velocity vectors, particle size, bed pressure drop, and average mass fraction of the components are investigated on reactor performance. Examining the solid phase distribution in the bed at various input velocities and times revealed that the solid concentration in the whole bed is almost dilute in the Ergun drag model. The flow structure appears generally homogeneous. By studying the particle size effect on velocity vectors, it is found out that as particle diameter increased, the turbulence of flow vectors increased and the number of vortices forming in the bed increased. Furthermore, the average mass fraction of hydrocarbons achieved during reactor output increased. Moreover, the methanol conversion reached more than 90%.Keywords: Fluidized Bed Reactor, Methanol, Olefin, Computational Fluid Dynamics, Kinetic Modeling
-
In this study, a novel hollow fiber membrane contactor (HFMC) under a non-wet condition was numerically explored by CFD techniques based on the finite element method to capture CO2 from the CH4/CO2 gas mixture. A new design, such as a shell and tube heat exchanger with baffles, was proposed. The MEA, DEA, and TEA, as different amines solutions, were selected as the liquid solvents. A CO2-containing gas mixture and amine solution were passed in the shell side and the tube side of the membrane contactor, respectively. The simulation findings indicated a good agreement with the reported experimental data demonstrating that such a model would evaluate the effects of different parameters during the HFMC system. Specifically, the results showed that the baffles' presence improved the separation efficiency due to the increased residence time on the shell side. The results also indicated that the MEA solution had the highest CO2 absorption. In the new design (shell and tube heat exchanger with baffles), the rising solvent inlet velocity, decreasing gas velocity, and counter-current flow pattern positively affected separation efficiency.Keywords: HFMC, CO2 capture, Shell, Tube, Baffles, computational fluid dynamics
-
مجله فرآیند نو، پیاپی 75 (پاییز 1400)، صص 58 -70
برج های تقطیر سینی چرخان (SCC) امروزه با گسترش کاربرد در صنایع شیمیایی روبرو هستند. در این تحقیق پارامتر افت فشار سیستم آب وهوا درون برج SCC در مقیاس پایلوت و با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی مورد بررسی قرار گرفته و با داده های تجربی مقایسه شده است. مدل در این تحقیق شامل دو مرحله از برج بوده و پارامترهای افت فشار خشک و دوفازی در سرعت های چرخشی 500، 1000 و 1500 دور بر دقیقه گزارش شده اند و تاثیر سرعت چرخش بر میزان افت فشار درون برج نیز بررسی شده است. متوسط خطای نسبی در حالت افت فشار خشک برابر با 11 درصد و برای داده های افت فشار دوفازی در شدت جریان های مایع 0/6 و 0/9 و 1/5 کیلوگرم بر دقیقه برابر با 13 درصد است. همچنین نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که با افزایش سرعت چرخشی، افت فشار سیستم نیز افزایش پیدا می کند.
کلید واژگان: برج SCC، سینی چرخان، دینامیک سیالات محاسباتی، افت فشارNowadays Spinning Cone Columns (SCC) are facing widespread application in chemical industries. In this work, the pressure drop parameter of the air and water system inside the SCC tower at pilot scale have been investigated by using computational fluid dynamics and compared with experimental data.The model studied in this work consisted of two stages of the tower and the dry and the two-phase pressure drop at rotational speeds of 500, 1000 and 1500 rpm were obtained and the effect of rotational speed on the amount of pressure drop inside the tower has also been investigated. The average relative error in the case of dry pressure drop was 11% and for the two-phase pressure drop with the liquid flow rates of 0.6, 0.9 and 1.5 kg / min was 13%. The simulation results also show that as the rotational speed increases, the system pressure drop also increases.
Keywords: Spinning Cone Column Tower, Rotating Cone, Computational fluid dynamics, Pressure drop
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.