دانلود مقاله ترجمه شده انتقال جرم یا حرارت از حباب های گازی شبه کروی متصاعد از یک مایع ساکن

انتقال جرم در مورد یک حباب شبه کروی متصاعد از یک مایع ساکن مورد بررسی قرار گرفت. یک کد عددی که معادلات ناویر – استوکس و معادله نفوذ – همرفت را برای تراکم حل می کند، برای مشخص نمودن انتقال از حباب به فاز مایع اطراف به کار برده شد. شبیه سازی ها به طور متقارن برای عدد رینولدز 1 تا 1000، اعداد اشمیت از 1 تا 500 و نسبت وجه حباب از 1 تا 3 انجام شدند. به نظر می رسد که استفاده از قطر معادل به عنوان طول مشخصه برای توصیف انتقال مناسب تر است. تاثیر نسبت وجه (aspect ratio) حباب بر عدد شروود تحلیل شده است. در مرحله اول،تعمیم عبارت بوسینسک که از قطر معادل استفاده می کند را می توان برای اهداف عملی مورد استفاده قرار داد. تغییر فاکتور تصحیح که عدد شروود را با عدد کره ای با عدد پکلت معادل مقایسه می کند، ارائه می شود و با استفاده از روابط ساده توضیح داده می شود. پیاده سازی این نتایج در شبیه سازی اویلر – اویلر انتقال جرم مورد بررسی قرار می گیرد. به نظر می رسد که اصلاح ناحیه سطح مشترک به همراه تصحیح عدد شروود، سهم مهمی را در عبارت چشمه سطح مشترک در معادله تراکم به دست می دهد. توجه داشته باشید که نتایج را می توان برای انتقال گرما نیز در نظر گرفت و برای قطره های (drop) چسبناک مورد استفاده قرار داد.

انتقال جرم و حرارت از نقطه نظر شیمیایی، محیطی و صنعتی دارای اهمیت است. انواع فرآیندهایی چون تخمیر یا گوارش های هوازی نشان دهنده استفاده از راکتورهای شیمیایی و بیولوژیکی، ظرف های متحرک، ستون های حباب و غیره است. این کار توسط پروژه ای مربوط به انتقال جرم در گیاهان درمانی آبی زائد آغاز شد که در آن راکتورهای بیولوژیکی از طریق تزریق حباب های کوچک، هوا داده شدند. اکسیژن در فاز گازی که از حباب ها می آید، از طریق سطح  مشترک گاز – مایع انتقال داده می شود که امکان تنفس هوازی میکروارگانیزم های موجود در فاز مایع را فراهم می نماید. مدلسازی چنین سیستم هایی شامل زیرسیستم های بیولوژیکی، فیزیکی و شیمیایی و اندرکنش آنها می شود. به طور کلی،  پدیده های هیدرودینامیکی موضعی یا در مقیاس بزرگ را باید به طور جداگانه و با فرض غیرممکن بودن توصیف فیزیک برای چنین حبابی در راکتور مورد مطالعه قرار داد. حتی نیرومندترین و مدرن ترین کامپیوتر نمی تواند به شبیه سازی عددی مستقیم چند حباب متصاعد از یک ظرف تهویه بسیار کوچک بپردازد. یک نقطه نظر عملی تر برای شبیه سازی های عددی، مدلسازی جداگانه فیزیک در مقیاس بزرگ و بر اساس مدل های موضعی "زیر شبکه (subgrid)" است که رفتار موضعی مناسب جریان را بر حسب کمیت های قابل اندازه گیری نظیر کسر حجمی گاز/مایع و اندازه متوسط حباب نشان می دهد. با این همه برای این که این زیرمدل ها دقیق و معتبر باشد، دینامیک حباب (انتقال جرم/حرارت) را باید در مقیاس یک مشمولیت منحصربفرد مورد بررسی قرار داد.

انتقال (جرم، حرارت، تکانه) هم به هندسه سیستم (مساحت، شکل) و هم به هیدرودینامیک جریان بستگی دارد. از نقطه نظر مورد دوم، این وابستگی متقابل بین هیدرودینامیک و توپولوژی را می توان برحسب نیروهای وارد بر حباب درک نمود: اینرسی، کشش سطحی، نیروی ارشمیدس و تنش ویسکوز .

با این عناصر، سه گروه بدون بعد را می توان تعریف کرد، برای مثل عدد رینولدز، اوتوس (Eotvos) و مورتون (Morton). رابطه های مفید شکل حباب و سرعت بر حسب این کمیت ها را می توان در کار کلیف و همکارانش (1978) به صورت تابعی از گروه های بدون بعد اشاره شده یافت. شکل حباب برای تغییرشکل معمولی را می توان به صورت شبه کره های پخت (oblate spheroidal) تقریب زد. برای تغییرشکل قابل توجه (معمولا برای یک نسبت وجه بزرگتر از 5/2 برای سیستم هوا/آب)، شکل حباب ها تقارن جلویی و عقبی را از دست می دهد.

ناحیه ای از جریان که ما را نگران می سازد با حباب های بیضوی پخت مشخص می شود که از مسیرهای مستقیم عمودی زیر متصاعد می شود. سرعت تصاعد چنین حباب هایی به طور نظری توسط مور (1965) مورد بررسی قرار گرفته است که نسبت وجه حباب و نیروی کشش حباب های بیضوی کمی پخت را با حل لایه مرزی بین سطح حباب و جریان (پتانسیل) خارجی محاسبه نمود. تاثیر پهن شدگی بر ضریب کشش نیز اخیرا توط لژاندر (2007) بررسی شده است که کشش یک حباب را از یک رابطه ساده بین کشش و حالت گردابی (vorticity) ماکزیمم تولید شده روی سطح حباب به دست آورد. مسیرهای مشخص حرکت این حباب های متصاعد تغییرشکل یافته اخیرا به طور مفصل توسط الینگسن و ریسو (2001)، سانادا و همکارانش (2007)، مگنودت و موگین (2007) و زنیت و مگنودت (2008) مورد مطالعه قرار گرفته است.