Επίδραση σώματος-εμποδίου στη γωνιακή ροή αγωγού σταθερής διατομής

• Κύριος συγγραφέας: Ελευθεριάδης, Κωνσταντίνος Εμμανουήλ
• Άλλοι συγγραφείς: Γεωργίου, Δήμος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2018
• Θέματα: Γωνιακές ροές; Αγωγοί τετραγωνικής διατομής; Angular flows; Rectangular ducts; 532.053 3

Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία πραγματοποιείται η μελέτη της επίδρασης σώματος εμποδίου στις γωνιακές ροές που εμφανίζονται εντός αγωγού τετραγωνικής διατομής. Με αυτήν τη μελέτη μπορούμε να δούμε πως επηρεάζει το εμπόδιο αυτό την ανάπτυξη της ροής εντός του αγωγού. Πρακτικές εφαρμογές αυτής της μελέτης μπορούν να εφαρμοστούν σε στροβιλομηχανές και γενικά σε οποιεσδήποτε εφαρμογές απαιτούν μείωση των γωνιακών ροών (δινών). Ο αγωγός που χρησιμοποιήθηκε είναι ορθογωνικής διατομής με εμβαδόν 300 x 200 mm2. Το σώμα εμπόδιο (πτερύγιο) που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διαδικασία του πειράματος είναι ένα ξύλινης κατασκευής σώμα, με ημικυκλικό χείλος προσβολής διαμέτρου 0.06m και συνολικού μήκους 0.24m. Χρησιμοποιήθηκε επίσης εντός της ροής, κυλινδρικό εμπόδιο προκειμένου να μελετηθεί η επιρροή που ασκεί. Ο κύλινδρος αυτός ήταν μήκους 205 mm και ακτίνας 10 mm. Η ταχύτητα της ροής εντός της αεροσήραγγας είναι 15.5 m/s. Για να μελετηθούν πλήρως οι γωνιακές ροές εντός του αγωγού, κατά την εκπόνηση του πειράματος μελετήθηκαν τρεις περιστάσεις. Στην αρχή πάρθηκαν μετρήσεις εντός του αγωγού απουσία οποιουδήποτε σώματος. Έπειτα, τοποθετήθηκε το σώμα-εμπόδιο (πτερύγιο) εντός του αγωγού. Και τέλος, με το σώμα-εμπόδιο ακόμα τοποθετημένο εντός του αγωγού, προστέθηκε και το κυλινδρικό εμπόδιο ροής επί κεφαλής του σώματος-εμποδίου. Στον κενό αγωγό, γωνιακή δίνη που εμφανίζεται στο σημείο ένωσης του δαπέδου και του πλαϊνού τοιχώματος είναι έντονη και καταλαμβάνει μία μεγάλη περιοχή. Με την προσθήκη του σώματος-εμποδίου στον αγωγό το μέγεθος της δίνης έχει μειωθεί. Η ροή συμπιέζεται για να χωρέσει από την μικρότερη διατομή που έχει διαθέσιμη, γεγονός που «σπρώχνει» την γωνιακή δίνη πιο κοντά στα τοιχώματα. Προσθέτοντας και το κυλινδρικό εμπόδιο η γωνιακή δίνη έχει συμπιεστεί ακόμα περισσότερο και καταλαμβάνει ακόμα μικρότερη περιοχή. Παραμένει σταθερή σε μία περιοχή μισή της αρχικής και δεν έχει αυξομειώσεις προς καμία διεύθυνση. Γενικά η γωνιακή δίνη σε αυτή την περίπτωση φαίνεται να είναι σε ένα συγκεκριμένο σημείο, χωρίς να επηρεάζει πολύ τον αέρα γύρω της ενώ οι δευτερογενείς ροές που γεννάν την δίνη είναι ασθενείς και εύκολα περιορίζονται σε ένα μικρό κομμάτι της διατομής από την ίδια την ροή. Προσθέτοντας το σώμα-εμπόδιο εντός του αγωγού εμφανίζεται η πεταλοειδής δίνη. Η δίνη αρχικά καταλαμβάνει μία περιοχή σχετικά μικρή σε μέγεθος. Η ταχύτητα όμως του αέρα εντός της δίνης είναι σχεδόν μηδενική. Καθώς αναπτύσσεται εντός του αγωγού η δίνη καταλαμβάνει μία περιοχή 20-25% της μερωμένης διατομής του αγωγού στη γωνία του δαπέδου με το πτερύγιο. Η μετακίνηση της δίνης προς το κέντρο της μελετώμενης διατομής έχει ως αποτέλεσμα το οριακό στρώμα στο δάπεδο του αγωγού να γίνεται αρκετά παχύ. Στη γωνία δαπέδου και πτερυγίου υπάρχουν πολύ έντονες δευτερογενείς ροές. Η ένταση των δευτερογενών αυτών ροών μας δείχνει ότι ένα μεγάλο μέρος της κινητικής ενέργειας του αέρα καταναλώνεται εντός αυτής της δίνης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η ταχύτητα της πλήρως ανεπτυγμένης ροής στο κέντρο του αγωγού να μειώνεται σε σχέση με την τιμή που είχε στα επίπεδα πριν την έξοδο. Στην περίπτωση με το κυλινδρικό εμπόδιο, η προσθήκη του εμποδίου έχει εξαλείψει την πεταλοειδή δίνη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το οριακό στρώμα στο δάπεδο να είναι σχεδόν ιδανικό. Όμως έχει εμφανιστεί μία νέα δομή εντός της ροής του αέρα. Δίπλα στο τοίχωμα του σώματος εμποδίου έχει εμφανιστεί μία νέα δίνη, η οποία διατηρεί σταθερό το μέγεθος της και δεν αυξάνεται. Η δίνη αυτή που εμφανίζεται στο πτερύγιο είναι η πεταλοειδής δίνη που δημιουργείται από το κυλινδρικό εμπόδιο. Στην απόσταση μεταξύ του κυλινδρικού εμποδίου και του χείλους προσβολής δημιουργείται ένα ανώρευμα το οποίο ανασηκώνει τη δίνη, η οποία είναι πολύ μικρότερη σε μέγεθος από την πεταλοειδή δίνη που δημιουργεί το σώμα-εμπόδιο. Στον κενό αγωγό (ED) βλέπουμε τον αριθμό Stanton να διατηρείται σταθερός στην περιοχή όπου υπάρχει ελεύθερη ροή και η τιμή να είναι ίση με 0.0025-0.003. Κοντά στο τοίχωμα όμως παρατηρείται μία πολύ μεγάλη αύξηση. Ο αριθμός Stanton φτάνει έως και τα 0.009-0.01. Η περιοχή του αυξημένου αριθμού Stanton σχεδόν ταυτίζεται με την περιοχή όπου η γωνιακή δίνη είναι πιο έντονη. Στην περίπτωση του σώματος εμποδίου (ΒΒ) βλέπουμε ότι στην περιοχή ελεύθερης ροής ο αριθμός Stanton διατηρείται σταθερός και ίσος για ακόμη μία φορά με 0.0025-0.003. Στις περιοχές όπου εμφανίζονται γωνιακές ροές ο αριθμός Stanton αυξάνεται ραγδαία, με τιμές του φτάνουν για ακόμη μία φορά τα 0.009-0.01. Για την περίπτωση του κυλινδρικού εμποδίου (CO) στην περιοχή ελεύθερης ροής ο αριθμός Stanton διατηρείται σταθερός και ίσος για ακόμη μία φορά με 0.0025-0.003. Στις περιοχές των γωνιακών ροών παρατηρούμε ότι και στην περίπτωση CO ισχύουν ακριβώς τα ίδια που ίσχυαν για την περίπτωση ΒΒ. Ενώ οι περιπτώσεις CO και ΒΒ έχουν τεράστιες διαφορές στο αεροδυναμικό τους κομμάτι, οι συντελεστές μεταφοράς θερμότητας είναι και στις δύο περιπτώσεις ίδιοι. Η πιο στρωτή ροή και τα αδυνατισμένα πεδία των δευτερογενών ροών δεν λειτουργήσαν ούτε στο ελάχιστο θετικά για την καλύτερη μετάδοση θερμότητας εντός του ρευστού. Αυτό μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι ένα πολύ ευαίσθητο μέγεθος σε σχέση με τις γωνιακές ροές. Η ύπαρξη και μόνο γωνιακής ροής είναι αρκετή ώστε η μετάδοση θερμότητας να γίνεται πολύ πιο δύσκολα εντός του αέρα.