فهرست جداول

 

 

15

 

 

 

فصل اول: مقدمه………………………………………………………………………..

 

 

16

 

 

 

1-1

 

 

مقدمه ای بر ذرات

 

 

17

 

 

 

1-2

 

 

بر کارهای انجام شده

 

 

23

 

 

 

1-3

 

 

هدف از انجام این پروژه

 

 

27

 

 

 

فصل دوم: بیان مسئله و معادلات حاکم  …………………………………………..

 

 

28

 

 

 

2-1

 

 

مقدمه

 

 

29

 

 

 

2-2

 

 

بیان مسئله

 

 

29

 

 

 

2-2-1

 

 

هندسه مسئله

 

 

29

 

 

 

2-2-2

 

 

فرضیات مسئله

 

 

30

 

 

 

2-2-3

 

 

معادلات حاکم بر سیال

 

 

31

 

 

 

2-2-4

 

 

شرایط مرزی

 

 

 

31

 

 

 

2-3

 

 

معادلات حاکم بر روش

 

 

33

 

 

 

2-4

 

 

حرکت ذرات معلق

 

 

35

 

 

 

2-4-1

 

 

نیروهای موثر بر ذرات

 

 

38

 

 

 

2-4-2

 

 

معادله کلی‌ حاکم بر ذره

 

 

43

 

 

 

2-5

 

 

شبیه سازی میدان جریان لحظه ای

 

 

44

 

 

 

فصل سوم: روش حل مسئله  …………………………………………………………

 

 

47

 

 

 

3-1

 

 

مقدمه

 

 

48

 

 

 

3-2

 

 

نحوه شبکه بندی کانال

 

 

49

 

 

 

3-3

 

 

شبیه سازی میدان جریان

 

 

50

 

 

 

3-4

 

 

روش حل معادلات حاکم بر ذره

 

 

51

 

 

 

3-5

 

 

محاسبه سرعت و دمای سیال در محل ذرات …..

 

 

52

 

 

 

فصل چهارم: بررسی نتایج و بحث بر روی آن­ها ……………………………….

 

 

55

 

 

 

4-1

 

 

مقدمه

 

 

56

 

 

 

4-2

 

 

اعتبارسنجی نتایج

 

 

56

 

 

 

4-3

 

 

میدان سرعت لحظه ای

 

 

60

 

 

 

4-4

 

 

بررسی اثرات نیروهای مختلف بر پخش و ته نشینی ذرات

 

 

61

 

 

 

4-4-1

 

 

اثر نیروی ترموفورز بر پخش ذرات

 

 

61

 

 

 

4-4-2

 

 

اثر نیروهای ترموفورز و گرانش بر ته نشینی ذرات

 

 

66

 

 

 

فصل پنجم: نتیجه­گیری و پیشنهادات  ……………………………………………..

 

 

74

 

 

 

5-1

 

 

نتیجه گیری

 

 

75

 

 

 

5-2

 

 

پیشنهادات

 

 

76

 

 

 

واژه­نامه ……………………………………………………………….

 

 

77

 

 

 

منابع ………………………………………………………………..

 

 

79

 

 

مقدمه ای بر ذرات[1]:
ذرات معلق همیشه و در همه جا در محیط پیرامون ما وجود دارند. ذرات، ریزه‌های مواد جامد و مایع معلق در یک سیال می‌‌باشند. گرده‌های گیاهان در فضای محیط اطراف، ذرات گرد و خاک که با جریان بادها منتقل و پخش می‌‌شوند، فوران آتشفشان‌ها و پخش خاکستر در فضای اطرف، بالا رفتن دود غلیظ به اتمسفر و همچنین خیلی‌ از فعالیت‌های انسانها باعث به وجود آمدن و پخش ذرات در محیط پیرامون ما می‌‌شوند. در شکل زیر تصاویری از ذرات مختلف آورده شده است.
ذرات از نظر نوع، شکل ظاهری و اندازه به دسته های مختلفی تقسیم می شوند که در ادامه توضیح مختصری در این زمینه داده می شود.

 

 

• بررسی ذرات از نظر انواع:

 

گرد و غبار: مواد جامدی که به واسطه‌ از هم پاشیدگی در فرایند هایی نظیر سنگ شکنی، سمباده زدن، انفجار و مته زنی‌ به وجود می‌‌آیند. این ذرات ریز تولید شده از همان مواد اولیه‌ و تفکیک شده خود هستند و از نظر اندازه در طیف زیر میکروسکوپی تا میکروسکوپی قرار می‌‌گیرند.
بخارهای شیمیایی: ذرات جامدی که حاصل واکنش شیمی‌- فیزیکی هستند که در فرآیند­هایی نظیر احتراق، تصعید و یا تقطیر به وجود می‌‌آیند. به عنوان نمونه‌های معمول از این ذرات می‌‌توان به ذرات اکسید فسفر، اکسید آهن و اکسید روی اشاره کرد. ذراتی‌ که بخارات شیمیایی را تشکیل می‌‌دهند بسیار کوچک می‌‌باشند و در مقیاس‌های زیر 1 میکرومتر می‌‌باشند. این ذرات میل زیادی به اجتماع کردن و لخته شدن دارند.
دود: یک ابر از ذرات معلقی که از فرایند اکسیداسیون مانند سوختن تشکیل می‌‌شود. به طور کلی‌، دود‌ها به عنوان ذرات دارای منشأ سازماندهی شده در نظر گرفته می‌‌شوند و عموماً از ذغال سنگ، نفت، چوب و یا سوختهای فسیلی دیگر به وجود می‌‌آیند. ذرات دود در اندازه‌های زیر 1 میکرومتر  هستند.
مه‌: این ذرات حاصل از پاشش مایعات و یا میعان بخار به وجود می‌‌آیند.  این ذرات به صورت کروی در نظر گرفته می‌‌شوند و به قدری هستند که می‌‌توان آنها را به صورت معلق در یک جریان هوای آرام مشاهده کرد. هنگام به هم پیوستگی این ذرات و تشکیل ذرات بزرگتر در حدود 100 میکرومتر، می‌‌توان آنها را به شکل باران مشاهده کرد.

 

 

• بررسی ذرات از نظر شکل ظاهری:

 

فرض کروی بودن ذرات، یک فرض بسیار مناسب برای ساده­تر کردن محاسبات و تجسم کردن راحت­تر حرکت آن­ها می باشد.‌ به جز ذرات مایع که همیشه کروی هستند، قالب‌ها و شکل‌های بسیار متفاوتی برای شکل ذرات وجود دارد که این قالب‌ها و شکل‌ها را می‌توان به سه گروه تقسیم بندی کرد :

 

 

• ذرات هم اندازه: این ذرات دارای اندازه مساوی در هر سه بعد فضایی خود می‌‌باشند. کروی،چند وجهی، متساوی الاضلاع در این تقسیم بندی قرار می‌‌گیرند. تا کنون بیشترین تحقیقات و دانش بشری پیرامون این دسته از ذرات بوده است. شکل 1-2 نمونه­ای از ذرات هم اندازه را نشان می­دهد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 1-2 : ذره بلورین پالادیوم [4]

 

 

• ذرات صفحه­ای: این ذرات دارای دو بعد بزرگ و یک بعد کوچک می‌‌باشند. برش‌های صفحه‌ای در این دسته بندی قرار می‌‌گیرند. اطلاعات بسیار محدودی پیرامون رفتار ذرات صفحه‌ای معلق در سیال موجود می‌‌باشد و اکثراً اطلاعات‌ دریافت شده از بررسی ذرات کروی را به این نوع ذرات تعمیم می‌‌دهند.

 

 

• ذرات رشته­ای: این ذرات دارای یک بعد بلند و طولانی در مقایسه با دو بعد بسیار کوچک خود هستند. برای نمونه می‌‌توان به ذرات بلوری، سوزنی و یا معدنی مانند پنبه کوهی اشاره کرد. اخیراً، با توجه به اهمیت سلامتی‌ و خطر تنفس این گونه ذرات معلق در هوا، تحقیقات تازه‌ای بر روی حرکت این گونه از ذرات در سیال شکل گرفته است ولی‌ هنوز اطلاعات مفید زیادی در این زمینه وجود ندارد.

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 1-3 : ذرات رشته­ای فایبر گلاس [3]

 

شکل و قالب ذرات می‌تواند با توجه به روش تشکیل و یا جنس و ذات مواد مادر تشکیل دهنده ذرات تغییر کند. ذراتی‌ که به روش میعان یک بخار به وجود می‌‌آیند معمولا به شکل کروی هستند (مخصوصاً زمانی که در حین تشکیل به درون یک فاز مایع وارد شوند). ذراتی‌ که با روش‌های خرد شدن و یا مته زنی‌ به وجود می‌‌آیند به ندرت به شکل کروی می‌‌باشند مگر اینکه در حال تشکیل ذرات، فاز مایع نیز تشکیل شود و حباب‌های بوجود آماده کروی در نظر گرفته می‌‌شود.

 

 

• بررسی ذرات از نظر اندازه:

 

ذرات معلق عموماً کروی و یا شبه کروی در نظر گرفته می‌‌شوند. شعاع ذره و هم قطر ذره می‌‌تواند برای بیان اندازه ذره بکار برده شود. در بحث‌های تئوریک خواص ذرات، به کار بردن شعاع بسیار معمول می‌‌باشد هر چند که در بیشتر نمونه‌های کاربردی قطر ذره را به عنوان بیانگر اندازه استفاده می‌‌کنند. در این تحقیق از قطر ذره برای بیان اندازه استفاده شده است.
پس از انتخاب قطر به عنوان مبنای دسته بندی ذرات، روش‌های گوناگونی برای محاسبه قطر یک ذره وجود دارد که دو روش از عمومیت بیشتری برخوردار می‌‌باشند: قطر فرت[2] و قطر مارتین[3]. این دو روش اشاره به ارزیابی تقریب­های بکار برده شده برای تعیین اندازه ذره از مشاهده تصاویر طرح ریزی شده تعدادی از ذرات غیر معمول دارد.
        قطر فرت: بیشترین فاصله یک لبه تا لبه دیگر در یک ذره.
        قطر مارتین: طول خطی‌ است که هر ذره را به دو قسمت مساوی تقسیم می‌‌کند.
از آنجا که این نوع اندازه گیری‌ها به جهت گیری ذرات وابسته و متغیراست (به علت سه بعدی بودن ذرات)، باید در جهات مختلف اندازه گیری و مقایسه شوند تا قابل قبول واقع شود. بنابراین با فرض جهت یابی‌ تصادفی ذرات، قطر میانگین محاسبه می‌‌شود. این مشکلات اندازه گیری را می­توان  با روش‌های دیگری بر طرف کرد که در ادامه به توضیح آن­ها پرداخته می شود.
قطر معادل مساحت: قطر یک دایره است که مساحت آن معادل با مساحت تصویر شده ذره می‌‌باشد.
شکل زیر تفاوت‌های محاسبه  سه قطر مختلف را نشان میدهد.

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل1-4 : نحوه محاسبه قطر­های مختلف ذرات [1]

 

همانگونه که در شکل 1-4 مشاهده می‌‌شود قطر فرت از قطر مساحت تصویر شده بزرگتر و قطر تصویر شده بزرگتر از قطر مارتین می‌‌باشد.
بعضی‌ مواقع قطر ذرات معلق را با استفاده از سرعت حد[4] آنها تقریب می‌زنند. همه ذراتی‌ که یک سرعت حد برابر دارند، بدون در نظر گرفتن جنس، شکل و … یک اندازه در نظر گرفته می‌‌شوند. لازم به ذکر است زمانی یک ذره به سرعت حد می رسد که از حالت سکون شروع به حرکت کرده و بعد از گذشت زمانی طولانی تحت تأثیر نیروی گرانش و چگالی خودش در آستانه ته نشین شدن قرار دارد.
دو روش معمول از این گونه اندازه گیری‌ها می‌توان به قطر آیردینامیکی[5] و استوکس[6] اشاره کرد:
قطر آیرودینامیکی: قطر یک کره بزرگ به چگالی واحد ( ) که دارای خواص آیرودینامیکی همان ذره می‌باشد که به این معناست اگر ذرات با هر شکل و چگالی دارای سرعت ته نشینی برابری باشند، قطر آیرودینامیکی برابری دارند.
قطر استوکس: قطر یک کره که دارای چگالی و سرعت ته نشینی برابر با یک ذره می‌‌باشد. تنها تفاوت قطر استوکس نسبت به قطر آیرودینامیکی، وجود شرط برابری چگالی ذره و کره در قطر استوکس می‌‌باشد.
قطر ذراتی‌ که در بحث علم ذرات مورد بررسی قرار می‌‌گیرند در محدوده 01/0 تا 100 میکرومتر بوده که 01/0 میکرومتر به عنوان حد پایین قطر ذره و 100 میکرومتر به عنوان حد بالای آن در نظر گرفته می‌‌شود. حد پایین قطر ذره حدوداً نقطه‌ای است که انتقال ممنتم از مولکول به ذره در نظر گرفته می‌‌شود. ذرات بزرگتر از 100 میکرومتر به علت تأثیر زیاد نیروی گرانش، به سرعت ته­نشین شده و به مقدار زمان مناسب (کمتر از دقت دستگاه­های اندازه­گیری) در سیال معلق نمی‌‌مانند که مورد علاقه بررسی در علم ذرات باشد.