تمت مناقشة أطروحة الدكتوراه الموسومة “دراسة تأثير زاوية الحقن في غطاء الهواء على أداء مضخات رفع السوائل بالهواء” للطالب احمد خالد حبيب في قسم الميكانيك بكلية الهندسة / جامعة بغداد وقد اشرف على إعداد الأطروحة أ. م. د. علي عبد المحسن حسن الاسدي.
وتألفت لجنة المناقشة من أ. د. إحسان يحيى حسين (رئيسا)، أ. د. جعفر مهدي حسن (عضوا)، أ. م. د. نجم عبد جاسم (عضوا)، أ. م. د. احمد وحيد مصطفى (عضوا)، أ. م. د. لمى فاضل علي (عضوا). بعد امتحان لجنة المناقشة الطالب في محتويات الأطروحة، قررت اللجنة منح الطالب شهادة الدكتوراه
مستخلص البحث هو كالأتي:
تم إجراء دراسة تحليلية, عددية وعملية حول تأثير زاوية حقن الهواء على أداء مضخات الرفع الهوائية التي تستخدم في رفع الماء. تم الأخذ بنظر الاعتبار مضخة رفع هوائية بقطر 42 ملم لأنبوب الرفع وبطول 2200 ملم باستخدام منظومة حقن هواء تقليدية ومنظومة أخرى معدلة. تم إجراء التعديل على منظومة حقن الهواء التقليدية نوع (Air-Jacket) من خلال تغير زاوية الحقن من 90 درجة (للمنظومة التقليدية) إلى زاوية 45 و 22.5 درجة (للمنظومة المعدلة).
تم في الدراسة التحليلية بناء موديل رياضي اعتمادا على قانون حفظ الكتلة وقانون الزخم أحادي البعد لمنطقة الجريان واستخدام المبادئ الأساسية لجريان ثنائي الأطوار فضلاً عن المعادلات الخاصة بنسبة الانزلاق ومعامل الاحتكاك وتم حل الموديل الرياضي باستخدام برنامج MATLAB R2013B للمضخة مع منظومة حقن تقليدية ومعدلة عند نسبة غمر مقدارها 0.75, 0.6, 0.5 مع معدل تدفق كتلة الهواء المحقون من 0.5 إلى 97 كغم/ساعة. تم تقيم الموديل الرياضي الجديد من خلال المقارنة مع موديل رياضي سابق متوفر وكذلك تم مقارنة نتائجها مع النتائج العملية والتي أظهرت مقبولية جيدة, إضافة إلى ذلك تبين انم موديل الــ (Drift-Flux) التقليدي لجريان ثنائي الأبعاد في أنبوب عمودي يعطي نتائج جيدة لنسب الفجوات عند مقارنتها مع النتائج العملية.
اعتمدت الدراسة العددية على قانون حفظ الكتلة وقانون الزخم لنافير ستوك ضمن منطقة الجريان الاضطرابي مع موديل (VOF) الخاص بالجريان ثنائي الأطوار باستخدام موديل (k-ϵ) ثنائي الإبعاد متناظر حول المركز. هذا الموديل تم نمذجته باستخدام برنامج الفلونت إصدار 14.5 وكذلك تم بناء التحليل الشبكي للجريان الاضطرابي داخل الأنبوب الصاعد بواسطة برنامج الكامبت إصدار 2.4.6 . اعتمادا على النتائج التي تم الحصول عليها من الدراسة التحليلية, تم نمذجة أفضل زاوية حقن للمنظومة المعدلة(22.5 درجة) عند أفضل نسبة غمر 0.75 و معدل تدفق كتلة الهواء المحقون من 0.5, 2, 10, 50, 85 كغم/ساعة والتي تغطي أنماط الجريان كلها المحتمل حدوثها داخل الأنبوب الصاعد, بالإضافة تم إجراء النمذجة على المنظومة التقليدية لغرض المقارنة. تم مقارنة النتائج العددية مع النتائج العملية وكانت النتائج جيدة.
عمليا، تم بناء وتصنيع الموديل المشار إليه أعلاه ودراسة أداءها مختبريا باستخدام منظومة الحقن التقليدية والمعدلة عند نسبة غمر مقدارها 0.75, 0.6, 0.5 مع معدل تدفق كتلة الهواء المحقون من 0.5 إلى 97 كغم/ساعة، فضلا عن ذلك تم الفحص والتحقق من أنماط الجريان داخل الأنبوب الصاعد بصريا باستخدام كاميره تصوير خاصة ذات سرعة عالية.
قد أظهرت النتائج زيادة في أداء وكفاءة المضخة عند معدلات الحقن العالية عند استخدام منظومة الحقن المعدلة لكل ظروف الفحص, وان أفضل زاوية حقن هي 22.5 درجة مع تحسن 9% في الأداء و 10% لأعلى كفاءة. لم تلاحظ فروقات مؤثرة في السلوك العام للمضخة عند استخدام منظومة الحقن التقليدية و المنظومة المعدلة, أعلى كفاءة تزداد مع زيادة نسبة الغمر, وأفضل قيم للكفاءة تم الحصول عليها عند أنماط الجريان (slug and slug-churn), وليس من الضروري أن تكون أعلى كفاءة للمنظومة عند أعلى معدل ضخ للماء وتم ملاحظة أنماط جريان مختلفة في الأنبوب الصاعد وهي (Bubble, Slug, Churn, Annular).
فضلا عن انه تمت المقارنة بين النتائج التحليلية و النتائج العددية والتي أظهرت إن النتائج العددية أكثر دقة من نتائج التحليلية لمنحنيات الأداء والكفاءة للمنظومتين التي تم تحليلهما. بالرغم من إن النتائج التحليلية اقل دقة, لكنها تبقى مقبولة وقابلة للمقارنة مع النتائج العددية ويعتبر الموديل الرياضي التحليلي جيد في إيجاد الأداء والكفاءة للمضخة بصورة عامة لكن بدون أي معلومات أو رؤيا حول التدفق و أنماط الجريان داخل الأنبوب الصاعد للمضخة. تم إيجاد معادلة عملية لكمية الماء المتدفق من المضخة بدلالة المتغيرات التي تمت دراستها والتي تتضمن (كمية الهواء المحقون، زاوية الحقن و نسبة الغمر).
وتألفت لجنة المناقشة من أ. د. إحسان يحيى حسين (رئيسا)، أ. د. جعفر مهدي حسن (عضوا)، أ. م. د. نجم عبد جاسم (عضوا)، أ. م. د. احمد وحيد مصطفى (عضوا)، أ. م. د. لمى فاضل علي (عضوا). بعد امتحان لجنة المناقشة الطالب في محتويات الأطروحة، قررت اللجنة منح الطالب شهادة الدكتوراه
مستخلص البحث هو كالأتي:
تم إجراء دراسة تحليلية, عددية وعملية حول تأثير زاوية حقن الهواء على أداء مضخات الرفع الهوائية التي تستخدم في رفع الماء. تم الأخذ بنظر الاعتبار مضخة رفع هوائية بقطر 42 ملم لأنبوب الرفع وبطول 2200 ملم باستخدام منظومة حقن هواء تقليدية ومنظومة أخرى معدلة. تم إجراء التعديل على منظومة حقن الهواء التقليدية نوع (Air-Jacket) من خلال تغير زاوية الحقن من 90 درجة (للمنظومة التقليدية) إلى زاوية 45 و 22.5 درجة (للمنظومة المعدلة).
تم في الدراسة التحليلية بناء موديل رياضي اعتمادا على قانون حفظ الكتلة وقانون الزخم أحادي البعد لمنطقة الجريان واستخدام المبادئ الأساسية لجريان ثنائي الأطوار فضلاً عن المعادلات الخاصة بنسبة الانزلاق ومعامل الاحتكاك وتم حل الموديل الرياضي باستخدام برنامج MATLAB R2013B للمضخة مع منظومة حقن تقليدية ومعدلة عند نسبة غمر مقدارها 0.75, 0.6, 0.5 مع معدل تدفق كتلة الهواء المحقون من 0.5 إلى 97 كغم/ساعة. تم تقيم الموديل الرياضي الجديد من خلال المقارنة مع موديل رياضي سابق متوفر وكذلك تم مقارنة نتائجها مع النتائج العملية والتي أظهرت مقبولية جيدة, إضافة إلى ذلك تبين انم موديل الــ (Drift-Flux) التقليدي لجريان ثنائي الأبعاد في أنبوب عمودي يعطي نتائج جيدة لنسب الفجوات عند مقارنتها مع النتائج العملية.
اعتمدت الدراسة العددية على قانون حفظ الكتلة وقانون الزخم لنافير ستوك ضمن منطقة الجريان الاضطرابي مع موديل (VOF) الخاص بالجريان ثنائي الأطوار باستخدام موديل (k-ϵ) ثنائي الإبعاد متناظر حول المركز. هذا الموديل تم نمذجته باستخدام برنامج الفلونت إصدار 14.5 وكذلك تم بناء التحليل الشبكي للجريان الاضطرابي داخل الأنبوب الصاعد بواسطة برنامج الكامبت إصدار 2.4.6 . اعتمادا على النتائج التي تم الحصول عليها من الدراسة التحليلية, تم نمذجة أفضل زاوية حقن للمنظومة المعدلة(22.5 درجة) عند أفضل نسبة غمر 0.75 و معدل تدفق كتلة الهواء المحقون من 0.5, 2, 10, 50, 85 كغم/ساعة والتي تغطي أنماط الجريان كلها المحتمل حدوثها داخل الأنبوب الصاعد, بالإضافة تم إجراء النمذجة على المنظومة التقليدية لغرض المقارنة. تم مقارنة النتائج العددية مع النتائج العملية وكانت النتائج جيدة.
عمليا، تم بناء وتصنيع الموديل المشار إليه أعلاه ودراسة أداءها مختبريا باستخدام منظومة الحقن التقليدية والمعدلة عند نسبة غمر مقدارها 0.75, 0.6, 0.5 مع معدل تدفق كتلة الهواء المحقون من 0.5 إلى 97 كغم/ساعة، فضلا عن ذلك تم الفحص والتحقق من أنماط الجريان داخل الأنبوب الصاعد بصريا باستخدام كاميره تصوير خاصة ذات سرعة عالية.
قد أظهرت النتائج زيادة في أداء وكفاءة المضخة عند معدلات الحقن العالية عند استخدام منظومة الحقن المعدلة لكل ظروف الفحص, وان أفضل زاوية حقن هي 22.5 درجة مع تحسن 9% في الأداء و 10% لأعلى كفاءة. لم تلاحظ فروقات مؤثرة في السلوك العام للمضخة عند استخدام منظومة الحقن التقليدية و المنظومة المعدلة, أعلى كفاءة تزداد مع زيادة نسبة الغمر, وأفضل قيم للكفاءة تم الحصول عليها عند أنماط الجريان (slug and slug-churn), وليس من الضروري أن تكون أعلى كفاءة للمنظومة عند أعلى معدل ضخ للماء وتم ملاحظة أنماط جريان مختلفة في الأنبوب الصاعد وهي (Bubble, Slug, Churn, Annular).
فضلا عن انه تمت المقارنة بين النتائج التحليلية و النتائج العددية والتي أظهرت إن النتائج العددية أكثر دقة من نتائج التحليلية لمنحنيات الأداء والكفاءة للمنظومتين التي تم تحليلهما. بالرغم من إن النتائج التحليلية اقل دقة, لكنها تبقى مقبولة وقابلة للمقارنة مع النتائج العددية ويعتبر الموديل الرياضي التحليلي جيد في إيجاد الأداء والكفاءة للمضخة بصورة عامة لكن بدون أي معلومات أو رؤيا حول التدفق و أنماط الجريان داخل الأنبوب الصاعد للمضخة. تم إيجاد معادلة عملية لكمية الماء المتدفق من المضخة بدلالة المتغيرات التي تمت دراستها والتي تتضمن (كمية الهواء المحقون، زاوية الحقن و نسبة الغمر).
