Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmud Ashrafizadeh,Ebrahim Shirani
محمود اشرفی زاده (استاد مشاور) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Sima Nasirzadeh vanhari
سیما نصیرزاده ونهری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Elementary and Numerical Analysis of Wet Foam Formation and Study of the Flow Structures and Physical Behavior of the Problem
Nowadays, due to the importance of foam, the availability and handling of special foam in many industries, further research is needed on such a complicated flow. Foam flow has become an important study issue all over the world. Most of the studies made due to its complexity focus on the geometry and topology of stationary foam and not on the flow itself, so the importance of studying the foam flow is felt more than ever. Foam is created by trapping pockets of gas in a liquid. Some of its applications are in cosmetic raw materials, topical gels and creams, lotions, toothpastes, shampoos, and so on. Foams are divided into two groups of dry foam and aqueous foam. in dry foam the bubbles form polyhedral cells, which are not flat and in aqueous foam the bubbles are spherical. To better understand the evolution of a foam structure, it is important to comprehend some important parameters such as the void fraction, the foam quality and the surface tension. Surface tension is regulated as a very essential and effective parameter in foam stability using surface active agents. Surface active agents play a very important role in many practical applications, and when applied to a modest amount in water, it significantly reduces surface tension, which affects the stability of bubbles. The purpose of this study is to analyze the flow of foam and to study some of the important parameters involved in the problem such as volume fraction, velocity and surface tension. The most numerical researches done are flow analysis as a single-phase, so numerical simulation in this study is the first simulation in the foam flow, in which both the bubbles and the water representing the fluid and gas are present in the flow and computational domain. In this study, which is a simplified mode of foam flow, it is considered to be a duct in which the fluid flows through it and also bubbles get into the fluid containing a surfactant. In this study, a duct with dimensions of 15 to 60 mm is considered. The numerical solution was performed for three Reynolds numbers of 50, 100 and 1000, three volume fractions of 48%, 41% and 28%, and three Weber numbers of 0.405, 0.27 and 0.203 (27 different modes), and the effect of the above parameters on the flow behavior and its physical properties have been investigated using ANSYS-FLUENT software. It was found that in foam flow, there is a large values of velocity fluctuations which varies with the flow parameters. By increasing the Reynolds number, the pressure loss increases, the range of the velocity fluctuations and the magnitude of the fluctuations decreases. By increasing the Weber number, the pressure loss, the range of the velocity fluctuations and the magnitude of the fluctuations decreases. By increasing the foam quality, pressure loss increases, the range of the velocity fluctuations decreases, the magnitude of the fluctuations increases and the wall shear stress decreases. And the phenomenon of coalescence causes a sudden increase in momentum speed. Keywords Aqueous foam flow, Plateau border, Two phase VOF method, Bubble, Surfactants
امروزه به دلیل اهمیت فوم، میزان در دسترس‌پذیری و کاربرد فوم‌های خاص در بسیاری از صنایع، تحقیق و بررسی بیش‌تر بر روی چنین جریان پیچیده‌ای ضرورت می‌یابد. جریان فوم به یک موضوع مطالعه ی مهم در سرتاسر دنیا مبدل شده است. اکثر مطالعات صورت گرفته بدلیل پیچیدگی‌های آن، بر روی هندسه و مکان شناسی فوم ثابت و نه بر روی خود جریان، تمرکز می‌کند، لذا اهمیت بررسی جریان فوم بیش از پیش احساس خواهد شد. فوم از طریق به دام انداختن حباب‌های گاز در یک سیال مایع ایجاد می‌شود. از جمله کاربردهای آن می‌توان به استفاده در مواد خام آرایشی و بهداشتی، ژل و کرم‌های موضعی، لوسیون، خمیر دندان، شامپوها و... اشاره نمود. فوم‌ها به دو دسته‌ی فوم خشک و فوم تر تقسیم‌بندی می‌شوند. در فوم خشک حباب‌ها بصورت سلول‌های چندوجهی غیرصاف و در فوم تر بصورت کروی می‌باشند. برای درک بهتر سیر تکاملی ساختار فوم، برخی پارامترهای مهم مثل کسر خالی، کیفیت فوم و کشش سطحی مطرح می‌شوند. کشش سطحی بعنوان یک پارامتر بسیار مهم و موثر در پایداری فوم با استفاده از مواد فعال سطحی تنظیم می‌شود. مواد فعال سطحی نقش بسیار مهمی در بسیاری از کاربردهای عملی دارند و هنگامیکه به میزان ناچیز در آب استفاده می‌شوند، کشش سطحی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند، که این امر بر روی پایداری حباب‌ها تاثیر گذار است. پژوهش حاضر به منظور تحلیل جریان فوم و بررسی برخی پارامترهای مهم دخیل در مسئله همچون کسر حجمی، سرعت و کشش سطحی خواهد بود. عمده پژوهش‌های عددی انجام شده در این زمینه تحلیل جریان بصورت تک فازی بوده است، لذا شبیه‌سازی عددی در این پژوهش اولین شبیه‌سازی در جریان فوم است که هر دو حباب و آب که نشان‌گر سیال گاز و مایع هستند در جریان و دامنه محاسباتی حضور دارند. در این پژوهش، که حالتی ساده شده از جریان فوم می‌باشد، یک مجرا درنظر گرفته می‌شود که سیال درون آن جریان دارد و همچنین حباب‌هایی را وارد سیال حاوی مواد فعال سطحی کرده و جریان فوم ایجاد می‌شود. در این پژوهش یک مجرا با ابعاد 15 در mm 60 در نظر گرفته شده است. حل عددی برای سه عدد رینولدز 50، 100 و 1000، سه کسر حجمی 48%، 41% و 28% و سه عدد وبر 405/0، 27/0 و 203/0 (27 حالت مختلف) انجام شده است و تاثیر پارامترهای فوق بر رفتار و فیزیک جریان در نرم افزار انسیس فلوئنت بررسی گردیده است. مشخص شد که در جریان فوم، مقدار زیادی از نوسانات سرعت وجود دارد که با پارامترهای جریان تغییر می‌کند. با افزایش عدد رینولدز، افت فشار دو سر کانال افزایش، بازه‌ی نوسانات سرعت و شدت (بزرگی) نوسانات کاهش می‌یابند. با افزایش عدد وبر، افت فشار دو سر کانال، بازه‌ی نوسانات سرعت و شدت نوسانات کاهش می‌یابند. و با افزایش کیفیت فوم، افت فشار دو سر کانال افزایش، بازه‌ی نوسانات سرعت کاهش، تعداد نوسانات و شدت نوسانات افزایش و تنش برشی کاهش می‌یابد. و پدیده‌ی یکی شدن حباب‌ها باعث یک افزایش ناگهانی در سرعت لحظه‌ای می‌شود. کلمات کلیدی: جریان فوم تر، فیلم مایع بین حباب‌ها، روش دوفازی حجم سیال، حباب، مواد فعال سطحی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی