Dar kanallardaki taylor akışında oluşan basınç düşümü modellemesi

Abstract

Dar kanallarda Slug(darbeli) akış genelde Taylor akışı şeklinde oluşur. Bu akış cinsinde kanal kesitini neredeyse tamamiyle dolduran ince uzun mermi şekilli Taylor kabarcıkları, gaz bölgesinden bağlantısız sıvı akış-ara bölmesi tarafından bölünmüşlerdir. Taylor akışı birim hacme düşen yüksek ara yüz alanından dolayı ve ince sıvı filmin gaz/sıvı gaz/sıvı/katı için verimli ısı ve kütle transferine izin vermesinden dolayı mikro proses mühendisliği için çok ilgi çekicidir.Taylor akışı ile işletilen çok fazlı mikro reaktörler için basınç düşümü çok önemli bir parametredir. Literatürde sıkça kullanılan basınç düşümü modellerinde eksiklikler vardır, örneğin Lockhart-Martinelli-Chisholm basınç düşümü modellemesinde yüzey gerilmesinin (küçük boyutlu kanallarda temel bir parametre) etkisi dahil edilmemiştir. Diğer modellerde yüzey gerilmesi hesaba katılmış fakat yarı örtülü ve fiziksel özelliklerin açıklamaları eksik olduğundan ve/veya gaz sıvı akış oranları için birinci derecede önem arz eden ve bilinmeyen kabarcık hızını baz alarak modellerini bunun üzerine kurmuşlardır. Bu çalışmada Taylor akışı için mekanik basınç düşümü modellemesi hedeflenmiştir. Model VOF metoduyla gerçekleştirilen detaylı sayısal simülasyonlar baz alınarak geliştirilmiştir. Yeni model, Taylor akışı birim hücresi boyunca meydana gelen basınç düşümünü sadece fiziksel parametrelerden ve akış oranlarından faydalanarak hesaplayabilmeyi sağlamaktadır.

In small channels, slug flow often occurs in the form of Taylor flow. In this flow pattern, elongated bullet-shaped gas bubbles that almost fill the channel cross-section (Taylor bubbles) are seperated by liquid slugs wbich are free from gas entrainment. Taylor flow is attractive for multiphase micro process engineering because the high interfacial area per unit volume and the thin liquid film allow for very efficient gas/liquid and gas/liquid/solid heat and mass transfer.An important parameter of multiphase microreactors operated in Taylor flow is the Pressure drop. Pressure drop models from literature such as the widely used Lockhart-Martinelli-Chisholm model have defiencies because they do not incorporate the effect of surface tension (which is essential in small dimensions). Other models account for the influence of surface tension but are semi-empirical and lack on physical interpretation and/or rely on the Taylor bubble velocity which is not known a priori for given gas and liquid flow rates . In this contribution a mechanistic pressure drop model for Taylor flow is proposed. The development of the model is based on results of detailed numerical simulations performed by a VOF method with interface reconstruction. The new model allows estimating the pressure drop along a Taylor flow unit cell (which consists of one gas bubble and one liquid slug) from the (given) physical properties and flow rates of the phases only.