يقدم هذا المقال بروتوكولاً للمحاكاة العددية لانتقال حرارة التكثيف وخصائص التدفق لخلائط الهيدروكربونات غير الأزيوتروبية في المبادلات الحرارية الملفوفة حلزونياً. وتقوم هذه الطريقة بتقييم الظروف التشغيلية وظروف الدوران للتنبؤ بمعاملات انتقال الحرارة وانخفاضات الضغط.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
محاكاة تدفق التكاثف وانتقال الحرارة في المبادلات الحرارية ذات الأنابيب الحلزونية لخلائط الهيدروكربونات غير الأزيوتروبية
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
تلعب المبادلات الحرارية ذات الأنابيب الحلزونية دوراً محورياً في إنتاج الغاز الطبيعي المسال (LNG)، باعتبارها مكوناً أساسياً في عملية تسييل الغاز الطبيعي. ويهدف هذا البحث إلى الفهم الشامل لخصائص تدفق التكثيف وانتقال الحرارة لخليط الهيدروكربون غير الأزيوتروبي داخل الأنابيب الحلزونية. وقد استرشد الاستقصاء العددي عالي الدقة في هذه الدراسة بمسار عمل محدد بدقة، يتضمن إنشاء الهندسة باستخدام أداة نمذجة احترافية، وتوليد الشبكة عبر برنامج متخصص في بناء الشبكات، وإجراء الحسابات العددية ضمن برنامج حل تجاري (مع دمج مراقبة التقارب في الوقت الفعلي)، والمعالجة الكمية اللاحقة. يضمن هذا النهج المتكامل الدقة العالية للنموذج العددي الناتج؛ حيث ظلت أقصى الانحرافات عن البيانات التجريبية الكلاسيكية (بيانات Neeraas التجريبية) أقل من 15% لمعامل انتقال الحرارة وأقل من 10% لتدرج انخفاض الضغط الاحتكاكي. وتكشف نتائج المحاكاة أن تغيير فترات وسعات الالتفاف يؤدي إلى اتجاهات تذبذبية مماثلة في عملية انتقال الحرارة، مما يظهر تأثيرات تعزيز وتدهور على حد سواء. وتحديداً، تؤثر فترة الالتفاف على أداء انتقال الحرارة بنسبة ±20%، بينما تؤثر سعة الالتفاف بنسبة ±10%.
المقدمة
يعتبر الغاز الطبيعي وقودًا أحفوريًا نظيفًا نسبيًا، حيث يبعث كميات أقل بكثير من ثاني أكسيد الكربون والملوثات الأخرى عند الاحتراق مقارنة بالفحم والبترول. وفي ظل التحول العالمي نحو أنظمة الطاقة المتجددة، غالبًا ما يُنظر إلى الغاز الطبيعي على أنه "وقود جسري" نظرًا لقدرته على الحفاظ على استقرار وموثوقية إمدادات الطاقة1. ومن خلال عملية الإسالة، يتم تبريد الغاز الطبيعي الغازي ليتحول إلى سائل مبرد (LNG)، مما يقلل حجمه بمعامل يصل إلى 600 ضعف تقريبًا، وهو ما يسهل عمليات النقل والتخزين بشكل كبير2. ويعد المبادل الحراري الملفوف لولبيًا (SWHE) مكونًا مركزيًا في عملية إسالة الغاز الطبيعي؛ حيث يتكون هذا النوع من المبادلات الحرارية من سلسلة من الأنابيب اللولبية المثبتة داخل غلاف أسطواني، ملفوفة طبقة تلو الأخرى في اتجاهات متعاكسة حول محور مركزي، مع وجود فواصل تفصل بين الطبقات لضمان وجود خلوص كافٍ للتبادل الحراري. وبفضل تكوينه اللولبي، يوفر المبادل الحراري (SWHE) مساحة سطح انتقال حراري كبيرة ضمن حيز صغير3. وهذا التصميم المدمج يجعله مناسبًا للغاية للدمج في المنشآت الضخمة، لا سيما منصات الإنتاج العائمة البحرية حيث تكون المساحة محدودة للغاية. وفي عمليات الإسالة باستخدام مبردات مختلطة والشائعة في إنتاج الغاز الطبيعي المسال (LNG)، تتدفق الهيدروكربونات غير الأزيوتروبية إلى الأعلى داخل الأنابيب، بينما يتدفق السائل المبرد في جانب الغلاف إلى الأسفل بطريقة التيار المتعاكس عبر الفجوات الموجودة داخل حزمة الأنابيب. وفي ظل هذه الظروف، تتمثل العملية الأساسية في جانب الأنبوب في تكثيف الهيدروكربونات غير الأزيوتروبية داخل الأنابيب اللولبية، وهو ما يتضمن تدفقًا ثنائي الطور (غاز-سائل) معقدًا4,5.
أُجريت أبحاث مكثفة للتنبؤ بدقة بخصائص التدفق وانتقال الحرارة أثناء التكثيف داخل الأنابيب. وبالنسبة للألكانات أحادية المكون، قام Fries وزملاؤه6 بقياس خصائص انتقال حرارة تكثيف البروبان في أنابيب أفقية، ووجدوا أن انخفاض الضغط يزداد مع تناقص قطر الأنبوب وضغط التشبع. كما لاحظو أن الجاذبية تسببت في كون معامل انتقال الحرارة عند قاع الأنبوب أقل منه عند القمة. ودرس Zhuang وزملاؤه7,8 تكثيف الميثان والإيثان في أنابيب أفقية، وأظهروا أن معامل انتقال الحرارة وانخفاض الضغط الاحتكاكي يزدادان مع زيادة معدل التدفق وجودة البخار. وحللت دراسة سابقة9 عملية تكثيف البروبان في القنوات الدقيقة، مؤكدة أن اتجاهات انتقال الحرارة وانخفاض الضغط كانت مشابهة لتلك الموجودة في القنوات التقليدية. أما بالنسبة لمبردات الخليط، فقد بحث Smit وزملاؤه10 في تكثيف خليط R22/R142b في أنابيب أفقية، ووجدوا أنه عند تدفقات كتلية منخفضة، أدى زيادة الكسر الكتلي لـ R142b إلى خفض معامل انتقال الحرارة بشكل كبير. ودرس Berrada وزملاؤه11 خليط R134a/R23 ووجدوا أن الانزلاق الحراري (temperature glide) كان له تأثير ضئيل على انتقال الحرارة في ظل نسب مكونات مختلفة. وأجرى Neeraas تجارب على خلائط الإيثان/البروبان في أنابيب حلزونية، ملاحظاً أن تأثير الخلط أثر بشكل كبير على حساب معامل انتقال حرارة التكثيف12. وفي المحاكاة العددية، قام Li وزملاؤه13 بمحاكاة عملية تكثيف الإيثان/البروبان، وأظهروا أن معامل انتقال الحرارة وانخفاض الضغط الاحتكاكي يتناقصان مع زيادة ضغط التشبع. وقدم Qiu وزملاؤه14 تأثير جرف البخار-السائل (vapor-liquid entrainment) عند محاكاة تكثيف البروبان في أنابيب حلزونية؛ وأظهرت نتائجهم أن مراعاة هذا التأثير قللت الانحراف بين نتائج المحاكاة والبيانات التجريبية إلى أقل من 25%.
على الرغم من الأبحاث المكثفة حول سوائل التشغيل المختلفة وتكوينات القنوات، لا تزال هناك فجوة كبيرة بين السوائل النقية أو الثنائية التي تُدرس عادةً في الأدبيات والمخاليط متعددة المكونات المستخدمة في الإنتاج الصناعي للغاز الطبيعي المسال (LNG). وبوجه خاص، لا تزال التحقيقات العددية التي تستهدف مخاليط الهيدروكربونات غير الأزيوتروبية المكونة من ثلاثة مكونات أو أكثر داخل قنوات تدفق معقدة محدودة للغاية15. بالإضافة إلى ذلك، وفيما يتعلق بالتطبيق الفريد لمنصات الغاز الطبيعي المسال البحرية، لا يزال هناك نقص في الفهم الشامل لكيفية تأثير حركة المعدات الناجمة عن البيئة البحرية على تدفق التكثيف وسلوك انتقال الحرارة. ولمعالجة هذه الفجوات البحثية، تجمع هذه الدراسة بين محاكاة ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) والبيانات التجريبية المتاحة لتطوير نموذج تفصيلي ثلاثي الأبعاد لتدفق التكثيف ثنائي الطور. ويتم مقارنة وتحليل معامل انتقال الحرارة المحاكى وانخفاض الضغط الاحتكاكي بناءً على البيانات التجريبية الكلاسيكية. وبناءً على هذا النموذج، تركز الورقة على محاكاة عملية تكثيف تركيبات حقول الغاز التمثيلية في أنابيب حلزونية، خاصة في ظروف الدوران، للتحقيق في الآليات الكامنة للحركة المعقدة وتأثيرها على انتقال حرارة التكثيف متعدد المكونات. توفر هذه الدراسة أساساً نظرياً موثوقاً وتوجيهاً هندسياً لتصميم وتحسين المبادلات الحرارية عالية الكفاءة في عمليات تسييل الغاز الطبيعي البحرية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
بما أن هذا العمل يركز على خصائص انتقال الحرارة المحلية وهبوط الضغط أثناء التكثيف داخل الأنبوب الحلزوني، يمكن استخدام نطاق مختزل بمجرد أن يصبح التدفق متطوراً بالكامل، مما يتيح تمثيلاً دقيقاً لسلوك التدفق والخصائص الحرارية المحلية. ولغرض التحقق من الصحة مقارنة بالبيانات التجريبية، تم بناء نموذج لأنبوب حلزوني مكون من ثلاثة أقسام بناءً على النموذج الفيزيائي الذي اقترحه Neeraas12، بقطر أنبوب يبلغ 14 mm، وزاوية حلزونية قدرها 10°، وقطر ملف يبلغ 2 m. يتكون النموذج من ثلاث مناطق: قسم متطور بالكامل (0.6 m)، وقسم اختبار (0.2 m)، وقسم لتثبيت الضغط (0.2 m). يضمن القسم المتطور بالكامل أن يكون التدفق متطوراً بشكل كافٍ قبل دخول المنطقة المستهدفة. ويُستخدم قسم الاختبار للمقارنة مع البيانات التجريبية وللتحليل التفصيلي لخصائص التدفق المحلي وانتقال الحرارة. أما قسم تثبيت الضغط فقد صُمم للحفاظ على استقرار الضغط عند المخرج ومنع التدفق العكسي، وبذلك يتم تجنب أي تداخل مع النتائج التي يتم الحصول عليها في قسم الاختبار. تم الحصول على برمجيات النمذجة المحددة من جدول المواد.
1. النموذج الفيزيائي والشبكة
- افتح برنامج النمذجة. في شريط الحالة السفلي، حدد وضع التخطيط (Sketch Mode)، ثم انقر فوق المستوى Z–X للدخول إلى بيئة التخطيط.
- في شريط الأدوات العلوي، حدد أداة الدائرة (Circle). ارسم دائرة عند نقطة الأصل بقطر 14، ثم اضغط Enter. انقر فوق العودة إلى وضع ثلاثي الأبعاد (Return to 3D Mode) في شريط الأدوات العلوي؛ حيث سيتم تحويل دائرة التخطيط بعد ذلك إلى سطح.
- حدد السطح الدائري الناتج. انقر فوق أداة النقل (Move) (الاختصار: M) في شريط الأدوات العلوي. ستظهر أداة تحكم ثلاثية المحاور (مقبض ثلاثي المحاور) على السطح. اسحب الكرة الصفراء الموجودة في مركز أداة التحكم إلى نقطة الأصل العالمية (0, 0, 0)، والتي ستعمل كمرجع للدوران والإزاحة.
- اسحب السهم الأحمر على طول المحور X، وأدخل 1000 mm، ثم اضغط Enter. الدوران: انقر فوق حلقة الدوران حول المحور X (القوس الأزرق أو الأخضر)، وأدخل 10°، ثم اضغط Enter.
- انقر فوق أداة السحب (Pull tool) (الاختصار: P) في شريط الأدوات العلوي وحدد السطح الدائري. في اللوحة اليسرى، اختر خيار التدوير (Revolve). ثم حدد المحور Z لنظام الإحداثيات العالمي كمحور للدوران. قم بتفعيل خيار الحلزون (Helix) في اللوحة اليسرى. لإنشاء الحجم 1 (Volume 1): في مربع الإدخال أو اللوحة اليسرى، أدخل ارتفاعاً قدره 138.87 mm وزاوية قدرها 45.16°، ثم اضغط Enter. وبذلك يتم إنشاء نطاق المائع الأول.
- لإنشاء الحجم 2 (Volume 2): حدد الوجه النهائي الجديد للحجم 1. كرر عملية السحب الحلزوني، مع استخدام المحور Z مرة أخرى كمحور دوران. أدخل ارتفاعاً قدره 69.44 وزاوية قدرها 22.58°.
- لإنشاء الحجم 3 (Volume 3): حدد الوجه النهائي الجديد لـ الحجم 2. أنشئ الحجم 3 بنفس معاملات الحجم 2 وباستخدام نفس الطريقة.
- انقر فوق علامة تبويب منصة العمل (Workbench) في شريط القائمة العلوي. انقر فوق زر المشاركة (Share). سيقوم البرنامج تلقائياً بتمييز الوجهين المتقاطعين بين الأحجام الثلاثة. انقر فوق زر إتمام (Complete) (علامة الصح) على اليمين.
- انقر فوق علامة تبويب المجموعات (Groups) في اللوحة اليسرى. حدد الوجه الدائري الابتدائي للحجم الأول، ثم انقر فوق إنشاء تحديد مسمى (Create Named Selection) وعرفه كـ مدخل (inlet (in)).
- حدد الوجه الدائري النهائي للحجم الثالث، واضغط على Ctrl + G لإنشاء مجموعة، وعرفها كـ مخرج (outlet (out)).
- حدد الأسطح الأسطوانية الخارجية للأحجام الثلاثة وعرفها كحدود جدارية: wall1 وwall2 وwall3.
- في شجرة الهيكل على اليسار، استمر في الضغط على Ctrl وحدد الأجسام الصلبة الثلاثة. اضغط على Ctrl + G لإنشاء مجموعة وأعد تسميتها باسم مائع (fluid).
- قم بتوصيل الهندسة الناتجة بوحدة الشبكة (Mesh) وانقر نقراً مزدوجاً لفتح برنامج إنشاء الشبكة (Meshing software). في الشجرة اليسرى، انقر فوق Mesh. في لوحة التفاصيل (Details) في أسفل اليسار، وسع خيار تحديد الحجم (Sizing) واضبط حجم العنصر (Element Size) على 3.
- انقر بزر الماوس الأيمن فوق Mesh في الشجرة، ثم اختر Insert، ثم Sizing. حدد سطح المدخل (in) كالهندسة وانقر فوق تطبيق (Apply). اضبط حجم العنصر (Element Size) على 0.6.
- انقر بزر الماوس الأيمن فوق Mesh، ثم اختر Insert، ثم Inflation. الهندسة (Geometry): حدد نطاقات الموائع الثلاثة وانقر فوق تطبيق (Apply). الحدود (Boundary): حدد أسطح الجدران الخارجية المعرفة كـ wall، ثم انقر فوق تطبيق (Apply). غير الخيار إلى سمك الطبقة الأولى (First Layer Thickness). ارتفاع الطبقة الأولى (First Layer Height): 0.01mm. أقصى عدد للطبقات (Maximum Layers): 15. معدل النمو (Growth Rate): 1.25.
- انقر بزر الماوس الأيمن فوق Mesh، ثم اختر Insert، ثم Method. حدد نطاقات الموائع الثلاثة وانقر فوق تطبيق (Apply). من القائمة المنسدلة Method، اختر المسح (Sweep). تحت هذا التحديد (Selection)، اختر مصدر يدوي (Manual Source). اختر سطح المدخل (in) كوجه مصدر وانقر فوق تطبيق (Apply).
- انقر بزر الماوس الأيمن فوق Mesh في الشجرة وحدد توليد الشبكة (Generate Mesh). في هذه الدراسة، تم التحكم في جودة الشبكة بدقة؛ حيث كانت القيمة الدنيا لـ الجودة المتعامدة (Orthogonal Quality) للشبكة المولدة أعلى من 0.90.
2. تشغيل برنامج المحاكاة
- افتح برنامج الحل. انتقل إلى علامة تبويب File (ملف)، وتحت Read (قراءة)، اختر Mesh (الشبكة). ثم انتقل إلى Scale Mesh (تغيير مقياس الشبكة) واضبط Mesh Was Created In to mm (الشبكة أُنشئت بوحدة مم).
- في Solver settings (إعدادات الحلّال)، اختر Pressure-Based solver (الحلّال القائم على الضغط)، واختر Absolute (مطلق) لـ velocity formulation (صياغة السرعة)، وفعّل Transient option (خيار الحالة العابرة) للزمن.
ملاحظة: من خلال تراكب معادلة التذبذب على حالة مرجعية ثابتة وتنفيذها عبر دالة محددة من قبل المستخدم، يمكن لإطار الإحداثيات المتحرك تمثيل حالة التذبذب. - انقر فوق User-Defined (محدد من قبل المستخدم)، ثم اختر Functions (الدوال). في قسم الـ UDFs المفسرة، قم بتحميل ملف التذبذب المُجمع.
ملاحظة: يتم التعبير عن الحركة الناتجة كما هو موضح في المعادلة (1). تم اعتماد منهجية الشبكة الساكنة وتنفيذها باستخدام إطار إحداثيات متحرك. تعتمد الفيزياء الأساسية للتلاطم على الحركة النسبية للسائل بالنسبة لحدود الحاوية. يتم تمثيل إثارة التلاطم كحدود مصدر تسارع ديناميكي مكافئة في معادلات الزخم، مما يتيح إعادة إنتاج كاملة لقوى السائل الديناميكية على شبكة ساكنة.
(1)
في المعادلة، يمثل Tc فترة التأرجح، ويرمز X إلى الإزاحة الناتجة عن التأرجح. - اضبط Gravitational acceleration (تسارع الجاذبية) في اتجاه Y على −9.81 m/s2. وتحت Models (النماذج)، فعّل Energy (الطاقة) وقم بتشغيل Energy Equation (معادلة الطاقة).
- تحت Models (النماذج)، فعّل Viscous (اللزوجة) واختر Reynolds Stress Model (نموذج إجهاد رينولدز) (7 معادلات). في Reynolds stress model settings (إعدادات نموذج إجهاد رينولدز)، اختر Linear Pressure-Strain (إجهاد-ضغط خطي). بالنسبة لـ Near-Wall Treatment (المعالجة القريبة من الجدار)، اختر Scalable Wall Functions (دوال الجدار القابلة للتطوير).
- في Phases (الأطوار)، اضبط Phase-1 (الطور الأول - الطور الأساسي) كـ gas (غاز) و Phase-2 (الطور الثاني - الطور الثانوي) كـ liquid (سائل). وتحت Global Options (الخيارات العامة)، فعّل Surface Tension Force Modeling (نمذجة قوة التوتر السطحي)، واختر Continuum Surface Force model (نموذج قوة السطح المتصل).
ملاحظة: تم اعتماد نهج سائل شبه مكافئ يعتمد على الخصائص الثرموفيزيائية المعتمدة على درجة الحرارة والضغط، وهي منهجية مقبولة على نطاق واسع في دراسات CFD لخلائط متعددة المكونات. وبالنظر إلى تركيب الخليط الأولي الثابت، تم حساب وتوليد الخصائص الثرموفيزيائية المعتمدة على الحالة — بما في ذلك الكثافة، واللزوجة الديناميكية، والموصلية الحرارية، والسعة الحرارية النوعية، وخصائص التشبع — باستخدام قاعدة بيانات NIST REFPROP عبر كامل نطاقات درجة الحرارة والضغط التشغيلية. في الدراسة الحالية، يحافظ الخليط على تركيب كلي متجانس طوال المحاكاة. إن استخدام الخصائص المتغيرة المستمدة من NIST يلتقط بدقة الخصائص الثرموفيزيائية غير الخطية للسائل متعدد المكونات مع تجنب الأعباء الحسابية غير الضرورية. - بأخذ خليط الإيثان والبروبان كمثال، عند جودة بخار 0.56 وضغط 3.2 MPa، حدد خصائص الطور السائل في Materials (المواد) كما يلي:
- الكثافة: 393.06 kg/m3
- السعة الحرارية النوعية (Cp): 3866.4 J/(kg·K)
- الموصلية الحرارية: 0.078798 W/(m·K)
- اللزوجة: 5.4796 × 10⁻5 Pa·s
- الوزن الجزيئي: 37.115 kg/kmol
- إنثالبي الحالة القياسية: 0
- درجة الحرارة المرجعية: 321 K
- في Materials (المواد)، حدد خصائص الطور الغازي كما يلي:
- الكثافة: 67.49 kg/m3
- السعة الحرارية النوعية (Cp): 3488.7 J/(kg·K)
- الموصلية الحرارية: 0.03035 W/(m·K)
- اللزوجة: 1.129 × 10⁻5 Pa·s
- الوزن الجزيئي: 34.756 kg/kmol
- إنثالبي الحالة القياسية: 0
- درجة الحرارة المرجعية: 321 K
- اضبط inlet boundary condition (الشرط الحدّي للمدخل) كـ Mass-Flow Inlet (مدخل تدفق الكتلة) (تدفق كتلي 300 kg/(m2·s))، و outlet (المخرج) كـ Pressure Outlet (مخرج الضغط) (0 Mpa)، و wall boundary condition (الشرط الحدّي للجدار) كـ Heat Flux (التدفق الحراري) (-10340W/m2).
- تحت Methods (الطرق)، اختر PISO algorithm (خوارزمية PISO) لطرق الحل. وبالنسبة لـ Volume Fraction (الكسر الحجمي)، اختر Geo-Reconstruct (إعادة البناء الهندسي).
ملاحظة: على الرغم من أن طريقة حجم السائل (VOF) مقبولة على نطاق واسع لتتبع تطور تضاريس السطح الحر على المقياس الكلي في عمليات التلاطم وتغير الطور الحراري، إلا أن هناك قيوداً متأصلة في دقة التقاط الواجهة وفي التقاط التقلبات الواجهية على المقياس المجهري. تعتمد صياغة VOF بشكل أساسي على الكسور الحجمية للأطوار في الخلايا المنفصلة. إن مخطط Geo-Reconstruct المستخدم هنا يقلل بشكل كبير من الانتشار العددي؛ ومع ذلك، يظل حل القطرات المجهرية تحت الشبكة، أو تكوين الرذاذ، أو الهياكل الواجهية المجهرية محدوداً بدقة الشبكة المحلية. بالنسبة لديناميكيات التلاطم على المقياس الكلي، والحمل الحراري الكتلي، وقوانين انتقال الكتلة بتغير الطور التي أُعطيت الأولوية في هذا البحث، فإن إطار VOF الحالي مع ما يقرب من 1.42 مليون عنصر شبكي يحقق توازناً مثالياً بين الدقة التضاريسية والتكلفة الحسابية. - في Monitors (المراقب)، قم بإعداد المراقبة لـ:
- الضغط عند مدخل ومخرج قسم الاختبار.
- درجة الحرارة عند المدخل والمخرج.
- درجة حرارة الجدار.
- الكسر الحجمي عند المدخل والمخرج.
ملاحظة: تم ضبط معيار التقارب لبواقي الطاقة على 1 × 10⁻8، بينما تم ضبط المعايير للبارامترات المتبقية على 1 × 10⁻4. تمت مراقبة المتغيرات العالمية الحاسمة ديناميكياً، بما في ذلك متوسط درجة الحرارة المرجح بالمساحة وإجمالي انخفاض الضغط عبر قسم الاختبار. استمر الحساب حتى لم تعد هذه المتغيرات تظهر أي تقلبات، مما يضمن وصول مجال التدفق إلى حالة مستقرة ومتطورة بالكامل.
- اختر طريقة التهيئة القياسية (standard initialization)، واحسب من جميع المناطق. بعد التهيئة، في لوحة Run Calculation (تشغيل الحساب)، اضبط: Time Step Size (حجم الخطوة الزمنية): 1 × 10⁻4 s، و Number of Time Steps (عدد الخطوات الزمنية): 1 × 106.
3. تكوين ما بعد المعالجة وتصدير البيانات
- في لوحة Calculation Activities، انقر فوق Autosave (Every Flow Time) لفتح نافذة الحفظ التلقائي. في إعدادات Autosave، اضبط Save Data File Every [s] على 0.01 وحدد Flow Time كنوع فاصل الحفظ. وبالنسبة لنوع Save Associated Case Files، اختر Only if Modified، ثم انقر فوق OK.
- افتح نافذة Contours من لوحة Results. في إعدادات Contours، قم بتنشيط خيارات Filled و Node Values و Boundary Values و Global Range و Auto Range.
- اختر Phases كنوع الـ contour وVolume Fraction كـ variable، ثم حدد phase-1 كالمرحلة المستهدفة. وأخيراً، انقر فوق Save/Display لتصور توزيع الكنتور.
ملاحظة: يتم حساب معامل انتقال الحرارة بقسمة تدفق الحرارة عند الجدار على قوة الدفع الحرارية، والتي يتم الحصول عليها من فرق درجة الحرارة بين مدخل ومخرج قسم الاختبار. وفي ظروف التلاطم، يتم اعتماد متوسط معامل انتقال الحرارة الزمني. يتم تحديد انخفاض الضغط من خلال مراقبة الفرق بين ضغوط المدخل والمخرج، ويُحسب بعد ذلك تدرج انخفاض الضغط الاحتكاكي كنسبة هذا الانخفاض في الضغط إلى طول جزء الأنبوب. - استورد البيانات التي تم الحصول عليها إلى برنامج Excel، مثل قيم درجة الحرارة والضغط عند المدخل والمخرج.
- احصل على فرق درجة الحرارة وفرق الضغط بين المدخل والمخرج وفقاً لطريقة الحساب الموضحة في القسم 3.3.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
باستخدام النموذج العددي الذي تم التحقق من صحته، تمت محاكاة عملية التمييع الفعلية لاستقصاء التغيرات في معامل انتقال الحرارة وانخفاض الضغط الاحتكاكي بشكل منهجي عبر معاملات تشغيل مختلفة، مما يوفر أساساً نظرياً لتصميم المبادلات الحرارية وتحسينها. ويمكن تلخيص الاستنتاجات الرئيسية فيما يلي: بالنسبة لتكثيف سائل نقي، يقتصر انتقال الحرارة بشكل أساسي على الغشاء السائل الملاصق لجدار الأنبوب، حيث تتساوى درجة حرارة الواجهة بين الغاز والسائل مع درجة حرارة قلب البخار، وكلاهما يتوافق مع درجة حرارة التشبع. وفي المقابل، يعد تكثيف المزيج ع...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
تعد التشكيلة المكونة من ثلاثة أقسام ضرورية لضمان موثوقية المحاكاة، حيث تعمل على إيجاد ظروف تدفق مكتملة النمو في المنطقة التي تسبق قسم الاختبار وتمنع التدفق العكسي عند المخرج، مما يؤدي إلى تحسين دقة النتائج المتوقعة. وقد انعكس وجه النظر هذا أيضاً في دراسات سابقة أجريت على الأنابيب الأفقية1. وخلال عملية توليد الشبكة في هذه الدراسة، تبرز أهمية كل من ارتفاع طبقة الشبكة الأولى، وعدد الطبقات الحدودية، والحد الأدنى لمتطلبات الجودة المتعامدة، نظراً لتأثيرها المباشر على دقة نتائج المحاكاة. ويؤثر كل من التد...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
يقر المؤلفون بعدم وجود أي تضارب في المصالح المالية أو علاقات شخصية معروفة قد يبدو أنها أثرت على العمل المذكور في هذا البحث.
شكر وتقدير
هذا البحث مدعوم من قبل مشروع البحوث الأساسية للجامعات التابع لإدارة التعليم في مقاطعة لياونينغ (LJ212512594008 لـ Xianshi Fang)، ومختبر شنيانغ الرئيسي لتكنولوجيا اختبار المنتجات الصناعية ومعدات الاختبار الذكية (JC2503, JC2512).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| فلوينت | ANSYS | 2020r1 | برنامج محاكاة |
| سبيس كليم | ANSYS | 2020r1 | برنامج نمذجة |
المراجع
- Cai W, Fang X, Chen J. The core liquefaction facility in many floating liquefaction facilities is the spiral-wound heat exchanger. In: Sustainable Liquefied Natural Gas. Elsevier; 2024:85-123.
- Yu J, Huo R, Shen H, et al. A simulation study on the condensation flow and thermal control characteristics of mixed refrigerant in a dimpled tube. Appl Therm Eng. 2023;120889.
- Li J, Hu H, Wang H. Numerical investigation on flow pattern transformation and heat transfer characteristics of two-phase flow boiling in the shell side of LNG spiral wound heat exchanger. Int J Therm Sci. 2020;152:106289.
- Fang X, Qiu G, Chen J, et al. A new frictional pressure drop correlation based on flow patterns for hydrocarbon refrigerants condensation flow. Int J Refrig. 2025;170:214-223.
- Fang X, Qiu G, Li Q, et al. A new heat transfer correlation based on flow patterns for hydrocarbon refrigerants condensation flow. Case Stud Therm Eng. 2024;56:104244.
- Fries S, Skusa S, Luke A. Heat transfer and pressure drop of condensation of hydrocarbons in tubes. Heat Mass Transfer. 2019;55:33-40.
- Zhuang XR, Gong MQ, Zou X, et al. Experimental investigation on flow condensation heat transfer and pressure drop of R170 in a horizontal tube. Int J Refrig. 2016;66:105-120.
- Zhuang XR, Chen GF, Zou X, et al. Experimental investigation on flow condensation of methane in a horizontal smooth tube. Int J Refrig. 2017;78:193-214.
- López-Belchí A, Illán-Gómez F, García-Cascales JR, et al. Condensing two-phase pressure drop and heat transfer coefficient of propane in a horizontal multiport mini-channel tube: experimental measurements. Int J Refrig. 2016;68:59-75.
- Smit FJ, Meyer JP. Condensation heat transfer coefficients of the zeotropic refrigerant mixture R-22/R-142b in smooth horizontal tubes. Int J Therm Sci. 2002;41:625-630.
- Berrada N, Marvillet C, Bontemps A, et al. Heat transfer in-tube condensation of a zeotropic mixture of HFC23/HFC134a in a horizontal smooth tube. Int J Refrig. 1996;19:463-472.
- Neeraas BO. Condensation of hydrocarbon mixtures in coil-wound LNG heat exchangers: tube-side heat transfer and pressure drop. Trondheim: Norwegian Institute of Technology; 1993.
- Li S, Cai W, Chen J, et al. Numerical study on condensation heat transfer and pressure drop characteristics of ethane/propane mixture upward flow in a spiral pipe. Int J Heat Mass Transfer. 2018;121:170-186.
- Qiu GD, Cai WH, Wu ZY, et al. Numerical simulation of forced convective condensation of propane in a spiral tube. J Heat Transfer. 2015;137:041502.
- Fang X, Guo Z, Tang K, et al. Numerical Study on Condensation Flow and Heat Transfer of Hydrocarbon Mixtures in Inclined Tubes under Static and Swaying Conditions. Front Heat Mass Transf. 2026; 24(2):18.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.