تحلیل دینامیکی و کنترلی ناپایداری جریان دوفازی در فرایند جوشش

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران

2 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران

3 دانشجوی کارشناسی‌ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران

چکیده

در این مقاله هدف تحلیل دینامیکی همراه با ملاحظات احتراز از بروز ناپایداری در جریان دوفازی در یک کانال حرارتی است. تاثیر پمپ با در نظر گرفتن یک تابع افت فشار بر حسب سرعت جرمی جریان مدل شده‌است. عوامل موثردر تعامل مشخصه مقاومت داخلی و پمپ با بروز ناپایداری لدینگ مورد بررسی قرار گرفته است. در صورت وجود نوسان، دامنه نوسانات در این پدیده محدود است. همچنین وجود حجم فشرده سیال (سرج تانک) می‌تواند سبب بروز ناپایداری افت فشاری در سیستم ‌شود. با در نظر گرفتن این که شرط وقوع ناپایداری؛ کوچک‌تر بودن شیب منحنی مشخصه خارجی از شیب منحنی مشخصه داخلی درناحیه شیب منفی مشخصه مقاومت داخلی خواهد بود؛ روش‌های کنترل ناپایداری با افزودن مقاومت ورودی و یا از طریق پمپ مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. روش لیاپانوف در تحلیل خطی وقوع ناپایداری مورد استفاده قرار گرفته است و پرتره فازی در نقاط تکین ارائه شده‌است. همچنین بررسی‌ها نشان می‌دهد که دامنه و فرکانس نوسانات وابسته به پارامتر ضریب زوال نوسان است و با کاهش آن فرکانس نوسان افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها


[1]  Lee J, Mudawar I (2005) Two-phase flow in high-heat-flux micro-channel heat sink for refrigeration cooling applications: Part II—heat transfer characteristics. Int J Heat Mass Tran 48(5): 941-955.
[2]  Kim SM, Mudawar I (2017) Thermal design and operational limits of two-phase micro-channel heat sinks. Int J Heat Mass Tran 106: 861-876.
[3]  Kuo CJ, Peles Y (2009) Pressure effects on flow boiling instabilities in parallel microchannels. Int J Heat Mass Tran 52(1-2): 271-280.
[4]  Ghobadi M, Muzychka YS (2015) Heat transfer and pressure drop in mini channel heat sinks. Heat Tran Eng 36(10): 902-911.
[5]  Stenning A (1964), Instabilities in the flow of a boiling liquid. J Basic Eng Trans ASME 86.
[6]  Zhang T, Tong T, Chang JY, Peles Y, Prasher R (2009) Ledinegg instability in microchannels. Int J Heat Mass Tran 52(25-26): 5661-5674.
[7]  Bergles AE, Lienhard VJH, Kendall GE, Griffith P (2003) Boiling and evaporation in small diameter channels. Heat Tran Eng 24(1): 18-40.
[8]  Koşar A, Kuo CJ, Peles Y (2006) Suppression of boiling flow oscillations in parallel microchannels by inlet restrictors. J Heat Tran. 128(3): 251-260.
[9]  Balasubramanian P, Kandlikar SG (2005) Experimental study of flow patterns, pressure drop, and flow instabilities in parallel rectangular minichannels. J Heat Tran Eng 26(3): 20-27.
[10] Kakac S, Bon B (2008) A review of two-phase flow dynamic instabilities in tube boiling systems. Int J Heat Mass Tran 51(3-4): 399-433.
[11] Ruspini LC, Marcel CP, Clausse A (2014) Two-phase flow instabilities: A review. Int J Heat Mass Trans 71: 521-548.
[12] Van Oevelen T, Weibel JA, Garimella SV (2017) Predicting two-phase flow distribution and stability in systems with many parallel heated channels. Int J Heat Mass Trans 107: 557-571.
[13] Padki MM, Palmer K, Kakac S, Veziroǧlu TN (1992) Bifurcation analysis of pressure-drop oscillations and the Ledinegg instability. Int J Heat Mass Tran 35(2): 525-532.
[14] Yang K, Zhang A, Wang J (2018) On the Ledinegg instability in parallel channels: A new and exact criterion. Int J Therm Sci 129: 193-200.
[15] Shin CW, No HC (2017) Experimental study for pressure drop and flow instability of two-phase flow in the PCHE-type steam generator for SMRs. Nucl Eng Desig 318:109-118.
[16] Qi S, Zhou T, Li B, Shahzad MA, Zou Y, Huang YP (2017) Experimental study on Ledinegg flow instability of two-phase natural circulation in narrow rectangular channels at low pressure. Prog Nucl Enrgy 98: 321-328.
[17] Lee J, Chae H, Chang SH (2013) Flow instability during subcooled boiling for a downward flow at low pressure in a vertical narrow rectangular channel. Int J Heat Mass Tran 67: 1170-1180.
[18] Yu Z, Yuan H, Chen C, Yang Z,  Tan S (2016) Two-phase flow instabilities of forced circulation at low pressure in a rectangular mini-channel. Int J Heat Mass Tran 98: 438-447.
[19] Zhang T, Peles Y, Wen JT, Tong T, Chang JY, Prasher R, Jensen MK (2010) Analysis and active control of pressure-drop flow instabilities in boiling microchannel systems. Int J Heat Mass Tran 53(11-12): 2347-2360.
[20] Chiapero EM, Fernandino M, Dorao C (2012) Review on pressure drop oscillations in boiling systems. Nucl Eng Desig 250: 436-447.
[21] Ozawa M, Nakanishi S, Ishigai S, Mizuta Y, Tarui H (1979) Flow instabilities in boiling channels: part 1 pressure drop oscillation. Bull JSME 22(170): 1113-1118.
[22] Park IW., Fernandino M, Dorao CA (2018) Experimental study on the characteristics of pressure drop oscillations and their interaction with short-period oscillation in a horizontal tube. Int J Refrig 91: 246-253.
[23] Gürgenci H, Veziroglu T, Kakac S (1983) Simplified nonlinear descriptions of two-phase flow instabilities in vertical boiling channel. Int J Heat Mass Tran 26(5): 671-679.
[24] Padki M, Liu H, Kakac S (1991) Two-phase flow pressure-drop type and thermal oscillations. Int J Heat Fluid Fl 12(3): 240-248.
[25] Mawasha P, Gross R (2001) Periodic oscillations in a horizontal single boiling channel with thermal wall capacity. Int J Heat Fluid Fl 22(6): 643-649.
[26] Liu H, Kocak H, Kakac S (1995) Dynamical analysis of pressure-drop type oscillations with a planar model. Int J Multiphas Fl 21(5): 851-859.
[27] Kakaç S, Venkataraman MR, Pramuanjaroenkij A, Kotcioglu I (2009) Modeling of two-phase flow instabilities in convective in-tube boiling horizontal systems. J Therm Sci Tech 29(1): 107-116.
[28] Ruspini LC (2013) Experimental and numerical investigation on two-phase flow instabilities. NTNU Uni.
[29]  Shahnazari MR, Amjadigolpayegani A, Soltani M (2021) Bifurcation analysis on interaction between ledinegg instability and pressure drop oscillations in a horizontal boiling channel. Int J Heat Mass Tran 166: 120760.
[30] Rahman ME, Singh S (2018) Non-linear stability analysis of pressure drop oscillations in a heated channel. Ch Eng Sci 192: 176-186.
[31] Nam NN, Lee SD, You SS, Phuc BDH (2019) Dynamical Analysis and Active Control for Flow Instabilities in Boiling Microchannel. Int J Heat Mass Tran 37(1): 203-211.
[32] Doyle J (1982) Analysis of feedback systems with structured uncertainties. IEE P-Contr Theor Ap.
[33] Zhang T, Wen JT, Julius A, Bai H, Peles Y, Jensen MK (2010) Parallel-channel flow instabilities and active control schemes in two-phase microchannel heat exchanger systems. IEEE Contr P.
[34] Shahnazari M, Amjadi Golpayegani A, Saberi A  (2020) Modeling and parametric analysis of two-phase fluid stability in boiling process in a thermal channel. Amirkabir J Mech Eng.
[35] Jin Q, Wen JT, Narayanan S (2019) Characteristics of pressure drop oscillation in a microchannel cooling system. App Therm Eng 160: 113849.
[36] Muñoz-Cobo JL, Verdú G (1991) Aplication of Hopf bifurcation theory and variational methods to the study of limit cycles in boiling water reactors. Ann Nucl Energy 18(5): 269-302.
[37] Padki MM, Palmer K, Kakac S, Veziroǧlu TN (1992) Bifurcation analysis of pressure-drop oscillations and the Ledinegg instability. Int J Heat Mass Tran 35(2): 525-532.
[38] Ledinegg M (1938) Instability flow during natural forced circulation. Warme 61: 891-898.
[39] Muir P (1999) Optimal discrete and continuous mono‐implicit Runge–Kutta schemes for BVODEs. Adv Comp Math 10(2): 135-167.
[40] Muir P, Adams M  (2000) Mono-implicit Runge–Kutta–Nyström methods for boundary value ordinary differential equations. Tech Rpt Saint Mary’s University.