Among the different applications of supercritical fluids, the use of water submerged jets is common in different processes such as the production of nanoparticles or combustion applications. This paper presents a computational methodology for the modelling and simulation of subcritical and supercritical injection of water in a subcritical co-flow. In this work, we focus on numerical simulation of the process, emphasizing mixing modelling. Subcritical to supercritical submerged water jets in a subcritical co-flow are analysed and validated against experimental data with good accuracy (below 5% of absolute average deviation). The main results show that mixing zones are longer at subcritical temperatures than well above the critical point. Besides, due to the low dissipation rate found, the system is poorly micromixed and complete mixing at the molecular scale is never achieved. A methodology based on the evaluation of a macro-mixing length has been used. Using this method, the presence and location of mixing zones are better identified, showing that when pressure is well above the critical point, fluid-dynamic behaviour is more similar to subcritical conditions. Implications of these results are commented and analysed

 چکیده

در میان کاربردهای مختلف سیالات فوق بحرانی، استفاده از جت های مستغرق آبی در فرایندهای متفاوتی مانند تولید نانوذرات یا کاربردهای احتراقی متداول است. این مقاله، یک روش محاسباتی را برای مدلسازی و شبیه سازی تزریق فوق بحرانی و زیربحرانی آب در یک جریان دوگانه زیربحرانی ارائه می کنیم. در این کار، ما بر شبیه سازی عددی این فرایند، با تاکید بر مدلسازی ترکیبی متمرکز می شویم. جت های آبی مستغرق فوق بحرانی و زیر بحرانی در یک جریان دوگانه زیربحرانی تحلیل می شوند و اعتبار آنها در برابر داده های تجربی با دقت خوبی تصدیق می شود (کمتر از 5% انحراف میانگین مطلق). نتایج اصلی نشان می دهند که نواحی مرکب در دماهای زیر بحرانی پایسته تر از دماهای فوق بحرانی هستند. به علاوه، به علت آهنگ اتلاف کم یافته شده، سیستم به صورت ضعیف در مقیاس میکرو مخلوط می شود و مخلوط شدن کامل در مقیاس مولکولی هرگز حاصل نمی شود. یک روش بر پایه ارزیابی طول اختلاط ماکرو به کار می رود. با استفاده از این روش، حضور و مکان نواحی اختلاط بهتر تعیین می شود که نشان می دهد زمانی که فشار کاملاً بالای نقطه بحرانی است ، رفتار دینامیکی سیال به شرایط زیربحرانی شبیه تر است. دلیل این نتایج بیان و تحلیل می شود.

-1مقدمه

تکنیک های بر پایه سیال زیربحرانی در بسیاری از حوزه های کاربردی مانند سنتز نانوذرات [1]، انهدام زباله های آلی [2]، حفاری چاه های عمیق [3] و هوافضا [4] مورد استفاده قرار می گیرند. یک تحلیل نظری از فرایندها، می تواند برای تفسیر نتایج تجربی و طراحی آزمایش های جدید بسیار مفید باشد [5]

فیزیک سیالات فوق بحرانی ، شهودی نیست زیرا آنها مشخصه هایی دارند که هم مشابه گازها و هم مشابه مایعات است [6]. وقتی مسئله شامل تزریق یک جریان چگالی بالا به یک محیط فوق بحرانی یا فرایند اختلاط بین یک جریان مایع در فشار فوق بحرانی و یک جریان کامل فوق بحرانی باشد، مسائل دیگری نیز به وجود می آیند. زمانی که ما پدیده هایی از این نوع در یک مخلوط کننده یا محفظه واکنش داریم، اگر فشار زیربحرانی باشد، جت های مایع تزریق شده ، متحمل آبشار کلاسیکی فرایندهای مربوط به اتمی سازی می شوند. نیروهای دینامیکی و تنش سطحی، شکل گیری یک اسپری ناهمگن را به پیش می برند که به صورت پیوسته در محدوده وسیعی از رژیم های ترموفیزیکی تکامل می یابد. زمانی که فشار محفظه از فشار بحرانی سیال یا مخلوط بیش تر می شود، جت های مایع تزریق شده دستخوش یک تغییر حالت «دوگانه» می شوند به صورتی که دمای سیال سطحی بالا می آید و از دمای بحرانی یا اشباع مخلوط موضعی بیشتر می شود. در این موقعیت، نیروهای بین مولکولی تقلیل یافته ، فرایندهایی با پخش غالب را بیش از اتمی سازی ارتقا می دهند و جت های مربوطه تبخیر می شوند که یک سیال پیوسته را در حضور گرادیان های بسیار بزرگ تشکیل می دهند [7]. بنابراین، خصوصیات سیال و گرادیان های فضایی آنها به صورت پیوسته در میدان تغییر می کند [8]. اخیرا دو پژوهش تجربی توسط سگال و پولیکوف [9] و روی و سگال [10] درباره تزریق دوگانه جت های مدور گزارش شده است…