Συγκριτική αξιολόγηση δισδιάστατης και τρισδιάστατης αριθμητικής προσομοίωσης διφασικής ροής αέρα-νερού σε σύστημα κυκλικών αγωγών μικρής διαμέτρου με ενσωματωμένη διακλάδωση τύπου Τ : προκαταρκτικός σχεδιασμός πειραματικής εγκατάστασης συστήματος διαχωρισμού με διακλάδωση τύπου Τ και επιλογή κατάλληλου μετρητικού εξοπλισμού

• Κύριος συγγραφέας: Πολυχρόνοπουλος, Ευάγγελος
• Άλλοι συγγραφείς: Μάργαρης, Διονύσιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2019
• Θέματα: Διακλάδωση τύπου Τ; Διαχωρισμός φάσεων; Διφασική ροή αέρα-νερού; Υπολογιστική ρευστοδυναμική; T-junction branch; Phase separation; Two-phase flow; Air-water mixture; Computational fluid dynamics (CFD)

Η παρούσα εργασία είχε ως αντικείμενο ενασχόλησης τη δισδιάστατη και τρισδιάστατη διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού διαχωρισμού διφασικής ροής αέρα-νερού όταν αυτή συναντά διακλάδωση τύπου Τ με προσανατολισμό 30°, 45° και 90°, αντίστοιχα, για διαφορετικά ζεύγη ογκομετρικών παροχών αέρα και νερού. Επιπλέον, στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν και η σύγκριση των αποτελεσμάτων δισδιάστατης και τρισδιάστατης επίλυσης του φαινομένου διαχωρισμού και της εκτίμησης του ποσοστού συμπαράσυρσης της υγρής φάσης του μίγματος (νερού), για τα ζεύγη των εξεταζόμενων ογκομετρικών παροχών αέρα και νερού σε γωνίες διακλάδωσης 30° και 45°, ενώ πραγματοποιήθηκε, επίσης, προκαταρκτικός σχεδιασμός της πειραματικής εγκατάστασης του συστήματος διαχωρισμού και επιλογή κατάλληλου μετρητικού εξοπλισμού. Αρχικά, καθώς το φαινόμενο διαχωρισμού των φάσεων και των παραμέτρων που επηρεάζουν το εν λόγω φαινόμενο είναι περίπλοκο, μελετήθηκε σε θεωρητικό επίπεδο επιλεγμένη ελληνική και διεθνής βιβλιογραφία, συναφής με το αντικείμενο. Ακολούθως, αφού προσδιορίστηκε ο τύπος ροής που αναμενόταν στον αγωγό, βάσει των συνθηκών ροής, υπολογίστηκαν το κλάσμα κενού, η διατμητική τάση τοιχώματος, καθώς και τα απαραίτητα στοιχεία για την υπολογιστική διερεύνηση του προβλήματος, όπως το ύψος του πρώτου υπολογιστικού κελιού. Τέλος, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ANSYS για τον σχεδιασμό του αγωγού και τη δημιουργία του υπολογιστικού πλέγματος και στη συνέχεια ο κώδικας Fluent για την επίλυση και την εύρεση τελικά της μεταβολής του βαθμού διαχωρισμού σε σχέση με τις ογκομετρικές παροχές αέρα και νερού. Συγκεκριμένα μελετήθηκε ο συνδυασμός τεσσάρων (4) διαφορετικών παροχών όγκου αέρα, υπό σταθερή παροχή όγκου νερού, μελετώντας τις αλλαγές που επιφέρει η αύξηση της ογκομετρικής παροχής του αέρα και ο προσανατολισμός της διακλάδωσης τύπου Τ στον παρατηρούμενο βαθμό διαχωρισμού του μίγματος. Ειδικότερα, οι παροχές όγκου αέρα που μελετήθηκαν ήταν: α) 20 L ⁄ min , β) 40 L ⁄ min , γ) 50 L ⁄ min και δ) 100 L ⁄ min και αντίστοιχα η παροχή όγκου νερού που εξετάστηκε ήταν: 50 L ⁄ min . Το μοντέλο που σχεδιάστηκε στο λογισμικό ANSYS αποτελούταν από έναν οριζόντιο αγωγό για την είσοδο του νερού, έναν αγωγό υπό κλίση 45 ο ως προς τον οριζόντιο αγωγό για την είσοδο του αέρα, τον οριζόντιο κύριο αγωγό της διάταξης διαχωρισμού μήκους 700 mm, τη διακλάδωση τύπου Τ σε 30 ◦ , 45 ◦ και 90 ◦ , με κλάδο μήκους 300 mm και τέλος τον οριζόντιο αγωγό εξόδου μήκους 300 mm. Το συνολικό μήκος της διάταξης ήταν 1210 mm, το μέγιστο συνολικό ύψος της 320 mm, ενώ ο αγωγός σε όλα τα σημεία του είχε διάμετρο 20 mm. Η υπολογιστική προσομοίωση πραγματοποιήθηκε για δισδιάστατη γεωμετρία και πλέγμα για τις περιπτώσεις ογκομετρικής παροχής αέρα 20 L ⁄ min και 100 L ⁄ min , με ογκομετρική παροχή νερού 50 L ⁄ min και για γωνίες διακλάδωσης 30°, 45° και 90°, αντίστοιχα, ενώ οι ίδιες περιπτώσεις ογκομετρικών παροχών αέρα και νερού προσομοιώθηκαν και σε τρισδιάστατη κλίμακα για γωνίες διακλάδωσης 30° και 45°, ώστε να γίνει σύγκριση με τον αντίστοιχο βαθμό διαχωρισμού και το αντίστοιχο ποσοστό συμπαράσυρσης υγρής φάσης των δύο διαστάσεων. Ακόμα, έγινε τρισδιάστατη υπολογιστική προσομοίωση για ογκομετρική παροχή αέρα 40 L ⁄ min και 50 L ⁄ min , για σταθερή ογκομετρική παροχή νερού 50 L ⁄ min , υπό γωνίες διακλάδωσης 30° και 45°, για να εξαχθεί η μεταβολή του βαθμού διαχωρισμού και του ποσοστού συμπαράσυρσης υγρής φάσης συναρτήσει της ογκομετρικής παροχής αέρα υπό συγκεκριμένη παροχή νερού. Στην αριθμητική επίλυση επιλέχθηκε το πολυφασικό μοντέλο Volume Of Fluid (VOF) για την περιγραφή της ελεύθερης επιφάνειας των δύο φάσεων και το μοντέλο Realizable k-ε για το «κλείσιμο» της τύρβης. Πέρα από την υπολογιστική προσομοίωση που διεξήχθη μέσω του λογισμικού ANSYS, σχεδιάστηκαν τα κατασκευαστικά σχέδια των επιμέρους εξαρτημάτων της πειραματικής εγκατάστασης στο λογισμικό AutoCAD και έγινε η επιλογή των μετρητικών οργάνων που θα χρησιμοποιηθούν στην πειραματική διερεύνηση του εν λόγω φαινομένου διαχωρισμού. Τα αποτελέσματα που εξήχθησαν κατέδειξαν τη δυσκολία πρόβλεψης της συμπεριφοράς του φαινομένου διαχωρισμού των φάσεων ενός μίγματος κατά τη μεταβολή των ογκομετρικών παροχών αυτού. Ακόμη, η τρισδιάστατη προσομοίωση οδήγησε σε πιο ακριβή αποτελέσματα, συγκριτικά με τη δισδιάστατη, ωστόσο η τελευταία φάνηκε ικανή να προβλέπει την τάση των αποτελεσμάτων αναφορικά με τον «βέλτιστο», ως προς τον βαθμό διαχωρισμού που επιτυγχάνει, προσανατολισμό της διακλάδωσης τύπου Τ.