نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی اصفهان، صندوق پستی: ۸۴۱۵۶۸۳۱۱۱، اصفهان - ایران
2 پژوهشکده چرخه سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 8486-11365، تهران- ایران
چکیده
در این مقاله به شبیه‌سازی سه بُعدی اسکوپ درون روتور یک ماشین سانتریفیوژ گازی پرداخته شده است. شکل هندسی اسکوپ درون ماشین سانتریفیوژ، سه بُعدی و انحنادار می‌باشد، در نتیجه جهت تحلیل رفتار صحیح جریان اطراف اسکوپ، شبیه‌سازی سه بُعدی ضرورت دارد. به همین منظور با استفاده از نتایج این شبیه‌سازی، جریان اطراف دو اسکوپ محصول و پسماند به صورت سه بُعدی مورد بررسی قرار گرفته است. با مقایسه بین نتایج شرایط عملیاتی فشار و دما، حاصل از شبیه‌سازی در ناحیه اسکوپ محصول و پسماند، مشاهده گردید که این مقادیر با فاصله اسکوپ از دیواره رابطه مستقیم دارند و مقادیر نیروی درگ در این دو ناحیه دارای اختلاف می‌باشند. بر اساس بررسی‌های صورت گرفته، دلایل اختلاف مقادیر نیروی درگ در نواحی اسکوپ محصول و پسماند؛ اثرات فشار، دما و سرعت مولکول‌های گاز است، که برآیند این اثرات به صورت مستقیم بر ضرایب انطباق ممنتوم و بر میزان اختلاف سرعت چرخشی سیال اطراف اسکوپ (محصول یا پسماند) و اسکوپ به ازای ارتفاع ، تأثیرگذار می‌باشد. هم‌چنین بر اساس نتایج به دست آمده، نیروی درگ اسکوپ محصول برابر با 2140 دین و مقدار نیروی درگ اسکوپ پسماند برابر با 1860 دین تعیین شدند.
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
Investigation the effective factors on the forces acting on the scoop in a gas centrifuge machine in three-dimensional conditions with the DSMC method
نویسندگان [English]
- S. Basiri 1
- S.J. Safdari 2
- S.M. Ghoreshi 1
- S. Yousefi-Nasab 2
1 Department of Chemical Engineering, Isfahan University of Technology, P.O.Box: , Tehran - Iran
2 Nuclear Fuel Cycle Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 11365-3486, Tehran - Iran
چکیده [English]
This article presents a simulation of a scoop inside the rotor of a gas centrifuge machine in three dimensions. The scoop inside the centrifuge machine is 3D and curved in shape. Therefore, a 3D simulation is necessary to analyze the proper flow behavior around the scoop. For this purpose, using the results of this simulation, the flow around the product and waste scoops has been investigated in three dimensions. As a result of simulation in the scoop area of the waste and product under operating conditions of pressure and temperature, it was observed that the values of these forces are directly related to the distance between the scoop and the wall, and the drag force values differ between these two areas. According to the investigations, the differences in drag force values between product and waste scoop areas can be explained by the effects of pressure, temperature, and velocity of gas molecules. There is a direct relationship between these effects and the coefficients of adaptation of momentum as well as the difference between the rotational velocity of the fluid around the scoop and the rotational velocity of the scoop per height (duѲ/dz).
کلیدواژه‌ها [English]
- Centrifuge machine
- Scoop drive
- OpenFOAM
- dsmcFOAM solver
- 3D simulation
- Benedict M, Levi H, Pigford T. Nuclear chemical engineering. Nuclear Science and Engineering. 1982;82(4).
- Bird G.A. Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows. New York: Oxford Univ. 1994.
- Bird G. The DSMC Method. Libraries Australia. Australia. 2013.
- Bogovalov S.V, Kislov V.A, Tronin I.V. Waves in strong centrifugal fields: dissipationless gas. Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 2015;29(1):111-125.
- Jiang D, Zeng S. CFD simulation of 3D flowfield in a gas centrifuge. In International Conference on Nuclear Engineering. 2006;42452:403-408.
- Borman V.D, Bogovalov S.V, Borisevich V.D, Tronin I.V, Tronin V.N. The computer simulation of 3d gas dynamics in a gas centrifuge. In Journal of Physics. 2016;751(1):12017.
- Roblin P, Doneddu F. Direct monte-carlo simulations in a gas centrifuge. AIP Proceedings. 2001.
- Jiang D, Zeng S. DSMC simulation of feed jet flow in gas centrifuge. Atomic Energy Science and Technology. Department of Engineering Physics. 2011;398-401.
- Khajenoori M, Haghighi A, Safdari J, Norouzi A. Modeling and simulating of feed flow in a gas centrifuge using the Monte Carlo method to calculate the maximum separation power. Journal of Molecular Modeling. 2019;25:333.
- Yousefi-Nasab S, Safdari J, Karimi-Sabet J, Norouzi A. Study of scoop drive and polymeric surface effects on the separation factors for a gas centrifuge using MD-DSMC method. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2021;43(7):1-16.
- Ghazanfari V, Salehi A.A, Keshtkar A.R, Shadman M.M, Askari M.H. Investigation of the continuum-rarefied flow and isotope separation using a hybrid CFD-DSMC simulation for UF6 in a gas centrifuge. Annals of Nuclear Energy. 2021;152:107985.
- Khajenoori M, Safdari J, Haghighi Asl A, Norouzi A. Modeling gas-granular flow in molecular using the DSMC method and continuum regions by Onsager’s pancake equation with mass sources and sinks in a rotating cylinder. Granular Matter. 2019;21(3):63.
- Wang M, Zhixin Li. Gas mixing in microchannels using the direct simulation Monte Carlo method. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2006;49(9-10):1696-1702.
- Roohi E, Darbandi M. Hybrid DSMC/Navier-Stokes solution of rarefied micro-nano flows. Proceedings of the 2nd GASMEMS Workshop-Les Embiez. 2010.
- www.OpenFOAM.org, [Online].
- White C, Matthew K.B, Thomas J.S, Stephen M.L, Benzi J, David R.E, Jason M.R. dsmcFoam+: An OpenFOAM based direct simulation Monte Carlo solver. Computer Physics Communications. 2018;224:22-43.
- Borgnakke C, Poul S.L. Statistical collision model for Monte Carlo simulation of polyatomic gas mixture. Journal of computational Physics. 1975;18(4):405-420.
- Yousefi-Nasab S, Safdari J, Karimi-Sabet J. Prediction of mole fraction distribution of various gases using dsmcFoam solver for the simulation of a stepped molecular pump under different operating conditions. Vacuum. 2022;111224.
- Yousefi nasab S, Karimi sabet J, Safdari J, Amini E, Norouzi A. Investigation gas behavior inside a gas centrifuge using dsmc code developed and dsmcFOAM solver. Journal of Nuclear Science and Technology. 2022;98(1):54-63 [In Persian].
)