شبیه‌سازی و اندازه‌گیری کسر حباب جریان دوفازی با استفاده از تلفیق فن‌آوری گاما و آشکارساز صفحه تخت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

پژوهشکده کاربرد پرتوها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران،ایران

10.22078/pr.2024.5499.3447

چکیده

حضور حباب در عمده جریان‌های دوفازی گاز-مایع خودنمایی می‌کند. اندازه‌گیری کسر حباب در صنایع مختلف مانند هسته‌ای، شیمیایی و پتروشیمی درک مفیدی از توزیع فازها در یک سیستم چندفازی خواهد داد. اندازه‌گیری کسر حباب می‌تواند منجر به بهبود طراحی، بهره‌برداری و نگهداری فرآیندهای صنعتی در صنایع نفت و گاز، پتروشیمی، راکتورهای شیمیایی، مبدل‌های حرارتی، نیروگاه‌های زمین گرمایشی و غیره شود. در موارد زیادی حباب‌ها به‌صورت همگن در سیال مایع پخش می‌شوند که اندازه‌گیری کسر حباب را با خطای بالایی همراه می‌کند. در این کار تحقیقاتی برای اجتناب از خطای سیستماتیک نوسان در قرارگیری کسر یکسانی از حباب در مسیر پرتو گامای عبوری از لوله جریان از یک باریکه پهن گاما در تلفیق با یک آشکارساز صفحه تخت استفاده گردید. در ادامه در محیط شبیه‌سازی مونت‌کارلو با استفاده از محاسبه چگالی عددی حباب در حجمی ثابت و بهره‌گیری از نمودار کالیبراسیون، کسر حباب برحسب چگالی عددی به‌ازای مقادیر مختلف شعاع حباب مقدار کسر حباب محاسبه گردید. پس از اعتبارسنجی کد با استفاده از مقایسه نتایج طیف تولیدی از کد با طیف نمونه مرجع یک تیوب اشعه ایکس، نمودار تغییرات چگالی عددی برحسب کسر حباب در شعاع‌های مختلف گویای توانایی روش ارائه‌شده در این کار تحقیقاتی برای تفکیک مقادیر مختلف کسر حباب به‌ازای شعاع‌های مختلف می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Simulation and Two-phase Void Fraction Measurement Utilizing Gamma Technique in Conjunction with Flat Panel Detector

نویسندگان [English]

  • Mojtaba Askari
  • Amirmohammad Beigzadeh
  • Mohsen Sharifzadeh
Radiation Application Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, Tehran, Iran
چکیده [English]

The presence of bubbles is evident in most two-phase gas-liquid flows. The measurement of void fraction in various industries, such as nuclear, chemical and petrochemical, provides valuable insight into the distribution of phases in a multiphase system. This understanding can lead to the improvements in the design, operation and maintenance of industrial processes in sectors like oil and gas, petrochemicals, chemical reactors, heat exchangers, and geothermal power plants. In many cases, bubbles are evenly distributed in the liquid, creating uncertainty in measurements. To address this issue, this research utilized a wide gamma beam in conjunction with a flat panel detector to minimize systematic errors caused by fluctuations in bubble placement along the path of the gamma ray passing through the flow tube. Next, in the Monte Carlo simulation environment, the numerical density of the bubble is calculated in a fixed volume. Using the calibration chart, the fraction of the bubble is determined in terms of the numerical density for various bubble radius values. Ultimately, after validating the code by comparing the results of the spectrum produced from the code with the spectrum of a reference sample from an X-ray tube, the graph displaying numerical density changes in terms of bubble fraction at different radii demonstrates the method’s ability to distinguish varying amounts of bubble fraction for different radii.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Measurement
  • Void Fraction
  • Two-phase Flow
  • Gamma Technique
  • Flat Panel Detector
  • Monte Carlo Simulation
[1]. Bombač, A., Rek, Z., & Levec, J. (2019). Void fraction distribution in a bisectional bubble column reactor. AIChE Journal, 65(4), 1186-1197. doi.org/10.1002/aic.16534.##
[2]. Al Falahi, F., Mueller, G., & Al-Dahhan, M. (2018). Pebble bed nuclear reactor structure study: A comparison of the experimental and calculated void fraction distribution. Progress in Nuclear Energy, 106, 153-161. doi.org/10.1016/j.pnucene.2018.03.006. ##
[3]. Kim, M. S., Choi, J., KIM, Y. C., HWANG, D. G., HONG, S. B., & LEE, K. H. (2007). Measurement of void fraction in hydrogen moderator used for moderator cell of Hanaro cold neutron source. Session IV, 15. ##
[4]. Kok, H. V., & Van der Hagen, T. H. J. J. (1999). Design of a simulated void-reactivity feedback in a boiling water reactor loop. Nuclear technology, 128(1), 1-11. doi.org/10.13182/NT99-A3009. ##
[5]. Wang, X., Chen, Y., Wang, B., Tang, K., & Hu, H. (2020). Sectional void fraction measurement of gas-water two-phase flow by using a capacitive array sensor. Flow Measurement and Instrumentation, 74, 101788. doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2020.101788. ##
[6]. Alamoudi, M., Sattari, M. A., Balubaid, M., Eftekhari-Zadeh, E., Nazemi, E., Taylan, O., & Kalmoun, E. M. (2021). Application of gamma attenuation technique and artificial intelligence to detect scale thickness in pipelines in which two-phase flows with different flow regimes and void fractions exist. Symmetry, 13(7), 1198. doi.org/10.3390/sym13071198. ##
[7]. بیگ زاده، امیرمحمد، اطاعتی، غلامرضا، آفریده، حسین، اسدی امیرآبادی، اسکندر، و بیات، اسمعیل. (1391). تعیین کسر حباب در سیال دو فازی با استفاده از چگالی سنج گاما. کنفرانس هسته‌ای ایران. ##SID. https://sid.ir/paper/824706/fa
[8]. Boorboor, S., Feghhi, S. A. H., & Jafari, H. (2023). Design and construction of an LSTM-powered high sampling rate dual-beam gamma densitometer for real-time measurement of the two-phase flow void fraction. Nuclear Engineering and Design, 411, 112444. doi.org/10.1016/j.nucengdes.2023.112444. ##
[9]. Fouladinia, F., Alizadeh, S. M., Gorelkina, E. I., Hameed Shah, U., Nazemi, E., Guerrero, J. W. G., Roshani, G.H. & Imran, A. (2024). A novel metering system consists of capacitance-based sensor, gamma-ray sensor and ANN for measuring volume fractions of three-phase homogeneous flows. Nondestructive Testing and Evaluation, 1-27. doi.org/10.1080/10589759.2024.2375575. ##
[10]. Swinehart, D. F. (1962). The beer-lambert law. Journal of chemical education, 39(7), 333. doi.org/10.1021/ed039p333. ##
[11]. Pelowitz, D. B. (2011). MCNPX™ user’s manual, version 2.7. 0. la-cp-11-00438. Los Alamos National Laboratory. ##
[12]. Martin, C. J., Temperton, D. H., Jupp, T., & Hughes, A. (2019). IPEM topical report: personal dose monitoring requirements in healthcare. Physics in Medicine & Biology, 64(3), 035008. ##